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(1)移動存儲控制芯片簡介
移動存儲控制芯片用于控制 NANDFlash 存儲芯片的數(shù)據(jù)讀寫,應(yīng)用于存儲盤、存儲卡等移動存儲產(chǎn)品。
存儲控制芯片通過控制NANDFlash存儲芯片中各個(gè)存儲單元電能的儲存及釋放實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與擦除,是存儲產(chǎn)品的核心器件。存儲控制芯片需要能夠識別 NANDFlash 存儲芯片中存儲單元的狀態(tài),避開壞區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效寫入,并最大化利用可用區(qū)域提升 NAND Flash 存儲芯片的可用容量。
由于 NAND Flash存儲單元擦寫次數(shù)存在上限,存儲控制芯片在進(jìn)行數(shù)據(jù)的擦寫時(shí)需要進(jìn)行均衡管理以延長 NANDFlash 的使用壽命。此外,移動存儲控制芯片還需要對電能不穩(wěn)定性導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行糾正,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
(2)移動存儲控制芯片的技術(shù)特點(diǎn)及行業(yè)壁壘
移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)需要深厚技術(shù)積累。NAND Flash 的商業(yè)化應(yīng)用已超過 20 年,NANDFlash 存儲晶圓工藝也已經(jīng)歷數(shù)次迭代,各存儲晶圓原廠采用的技術(shù)路徑各具特點(diǎn),其生產(chǎn)的 NANDFlash 存儲晶圓特性也各不相同。
移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè)對各品牌存儲晶圓的技術(shù)迭代路徑、工藝特性、性能特點(diǎn)需要進(jìn)行長期的跟蹤、歸納、總結(jié)、沉淀,才能設(shè)計(jì)出具備較強(qiáng)兼容性的移動存儲芯片,因此移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)存在較高的行業(yè)壁壘。
移動存儲控制芯片需彌補(bǔ)存儲晶圓缺陷。為滿足下游市場對高存儲密度的追求,NAND Flash 存儲晶圓多采用幾十至上百層的立體堆疊特殊工藝,屬于較為尖端的半導(dǎo)體制造工藝,無法避免瑕疵,同片晶圓產(chǎn)出的存儲芯片品質(zhì)存在差異。存儲晶圓原廠對存儲芯片進(jìn)行檢測并分類,品質(zhì)較高的存儲芯片主要用于生產(chǎn)自有品牌的 SSD 及嵌入式存儲器,或優(yōu)先銷售給智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域的客戶;品質(zhì)較低的存儲芯片主要用于存儲盤、存儲卡等移動存儲產(chǎn)品。
因此,用于移動存儲產(chǎn)品的控制芯片需要具備更強(qiáng)的壞區(qū)識別、均衡擦寫、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)等能力,彌補(bǔ)存儲芯片品質(zhì)的不足,改善存儲芯片的工作性能,提高移動存儲產(chǎn)品的可用容量、使用壽命及讀寫速度,并提升移動存儲產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
移動存儲控制芯片需適應(yīng) NANDFlash 的技術(shù)發(fā)展。面對每 2-3 年為周期的NAND Flash 較大幅度的技術(shù)迭代,設(shè)計(jì)企業(yè)需要快速反應(yīng),設(shè)計(jì)新的移動存儲控制芯片;面對每半年至 1 年為周期的 NANDFlash 較小的技術(shù)變化,芯片設(shè)計(jì)企業(yè)需要不斷更新芯片量產(chǎn)工具軟件、軟件算法及固件,或微調(diào)移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行適配。
因此,移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè)不僅需要具備較高的流片成功率和量產(chǎn)良率等高效的芯片產(chǎn)品開發(fā)能力,還需要在芯片產(chǎn)品生命周期中保持對 NAND Flash 技術(shù)動向的掌握并進(jìn)行持續(xù)的研發(fā)投入。
(3)移動存儲產(chǎn)業(yè)鏈概況
移動存儲產(chǎn)業(yè)鏈參與者主要包括存儲晶圓原廠、存儲模組及產(chǎn)品廠商、移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè),其中僅移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè)對外單獨(dú)銷售移動存儲控制芯片。
①存儲晶圓原廠
主要專注于 NAND Flash 存儲技術(shù)的研發(fā)、NAND Flash 存儲晶圓及應(yīng)用產(chǎn)品的生產(chǎn)及銷售。擁有 NANDFlash 存儲晶圓設(shè)計(jì)能力及產(chǎn)線,通常為自有品牌的 NANDFlash 存儲晶圓自主研發(fā)存儲控制芯片,生產(chǎn)并銷售自有品牌的移動存儲產(chǎn)品。
存儲晶圓原廠的移動存儲控制芯片專為自有品牌的存儲晶圓設(shè)計(jì),不對外單獨(dú)銷售。存儲晶圓原廠因擁有可控的產(chǎn)能,并且主導(dǎo)著 NANDFlash 技術(shù)的發(fā)展方向,技術(shù)更新迭代會影響移動存儲產(chǎn)業(yè)鏈的其他參與者,全球僅少數(shù)幾家企業(yè)采用該種模式。
②存儲模組及產(chǎn)品廠商
參與移動存儲產(chǎn)業(yè)鏈中下游環(huán)節(jié),專注于移動存儲模組及移動存儲產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售。擁有移動存儲模組及移動存儲產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)能力,向存儲晶圓原廠采購存儲晶圓,生產(chǎn)并銷售自有品牌的移動存儲模組、產(chǎn)品或?yàn)榭蛻籼峁┐し?wù)。該類企業(yè)通常外購移動存儲控制芯片,或采用委外研發(fā)的形式設(shè)計(jì)移動存儲控制芯片,目前小部分企業(yè)逐漸開始自主研發(fā)移動存儲控制芯片。
該類企業(yè)的移動存儲控制芯片僅需兼容其采購的存儲晶圓類型,且不對外單獨(dú)銷售。存儲模組及產(chǎn)品廠商相較于存儲晶圓原廠不具備成本優(yōu)勢,毛利率相對較低,核心競爭力為產(chǎn)品解決方案的豐富程度、獲取 Flash 存儲晶圓的供應(yīng)鏈能力以及自有品牌的影響力。
③移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè)
處于產(chǎn)業(yè)鏈上游,專注于移動存儲控制芯片的設(shè)計(jì)及銷售環(huán)節(jié)。不直接面向消費(fèi)級及企業(yè)級終端用戶,主要向存儲模組及產(chǎn)品廠商銷售芯片,再由存儲模組及產(chǎn)品廠商將移動存儲控制芯片與存儲晶圓原廠生產(chǎn)的NANDFlash存儲晶圓進(jìn)行組合,最終形成面向終端用戶的移動存儲產(chǎn)品。
為獲取更高市場份額,移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè)的產(chǎn)品需要兼容多種 NANDFlash 存儲晶圓類型,并且需要不斷提升產(chǎn)品性能,對壞區(qū)識別、均衡擦寫、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)等技術(shù)有較高要求。市場上存在兩類移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè):
1)自主研發(fā)移動存儲控制芯片、固件及配套軟件;
2)外購移動存儲控制芯片,搭配自主研發(fā)的固件及配套軟件。目前,前者擁有較高的市場占有率。移動存儲控制芯片設(shè)計(jì)企業(yè)是產(chǎn)業(yè)鏈精細(xì)化分工的結(jié)果,相較于其他兩類參與者在移動存儲控制領(lǐng)域的技術(shù)及行業(yè)積累更為全面,對前期資本投入要求較小,但需要通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新來應(yīng)對技術(shù)迭代風(fēng)險(xiǎn)。
(4)移動存儲市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
①全球數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長,NAND Flash 逐漸成為主流存儲介質(zhì)
隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展,以及工業(yè)、家電、汽車等傳統(tǒng)領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化,大量的數(shù)據(jù)被生產(chǎn)并需要被存儲。根據(jù) IDC 于2021 年提供的數(shù)據(jù)及預(yù)測,2020 年至 2025 年全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量的年復(fù)合增長率將達(dá) 23%,2020 年全球產(chǎn)生了約 64ZB 的數(shù)據(jù),2025 年將產(chǎn)生 180ZB 的數(shù)據(jù);而全球的數(shù)據(jù)存儲總?cè)萘磕陱?fù)合增長率僅為 19.2%,2020 年為 6.7ZB,到 2025 年為 16.1ZB,遠(yuǎn)低于 2025 年的數(shù)據(jù)產(chǎn)生量,數(shù)據(jù)存儲空間缺口較大。
根據(jù) ICInsights 預(yù)測數(shù)據(jù),2022 年 Flash 占全球半導(dǎo)體類存儲介質(zhì)銷售額的42%,其中超過 95%為 NANDFlash,NANDFlash 是目前最主流的非易失性半導(dǎo)體存儲技術(shù)。根據(jù) IDC 預(yù)測,到 2025 年,F(xiàn)lash 占全部類型存儲介質(zhì)出貨量比例將達(dá) 30%,其中仍以 NAND Flash 為主,NAND Flash 有望在未來成為最主流的存儲介質(zhì)。存儲控制芯片是 NAND Flash 存儲器的關(guān)鍵組成部分,隨著 NANDFlash 占有率升高,存儲控制芯片的重要性亦日益提升。
②NAND Flash 存儲密度持續(xù)提升,存儲控制芯片性能要求提升
NAND Flash 由大量的存儲單元結(jié)構(gòu)組成,通過電子的儲存或釋放來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及擦除,為了達(dá)到更高的存儲密度,NAND Flash 除了采用較為先進(jìn)的制程外,通過不斷技術(shù)革新使存儲領(lǐng)域的“摩爾定律”得以延續(xù)。
目前的 NANDFlash 芯片采用 SLC、MLC、TLC、QLC 等多級存儲單元結(jié)構(gòu),即單個(gè)存儲單元分別能夠存儲 1bit、2bit、3bit、4bit 等不同數(shù)據(jù)量,另外,隨著近年 3D NAND立體化堆疊架構(gòu)的不斷進(jìn)步,NAND Flash 存儲晶圓的存儲密度提升迅速,但同時(shí)也對存儲控制芯片的壞區(qū)識別、糾錯(cuò)能力、均衡擦寫等提出了更高要求。
③NAND Flash 國產(chǎn)化進(jìn)程加速
在全球低碳發(fā)展及勞動力人口下降的大背景下,傳統(tǒng)工業(yè)、辦公、家居、汽車電子的智能化、節(jié)能化、無紙化、數(shù)字化成為不可逆的發(fā)展趨勢,極大地豐富了 Flash 技術(shù)的應(yīng)用場景,與上述行業(yè)相關(guān)的代碼、算法、數(shù)據(jù)都需要 Flash 作為載體,F(xiàn)lash 及 Flash 控制技術(shù)將成為智能化、節(jié)能化、無紙化、數(shù)字化的基石。中國大陸作為全球的制造業(yè)中心,必須實(shí)現(xiàn) Flash 及 Flash 控制技術(shù)的國產(chǎn)化。
IDC 預(yù)計(jì),2025 年中國將產(chǎn)生約 41ZB 的數(shù)據(jù),占 2025年全球數(shù)據(jù)量比例接近四分之一。但中國半導(dǎo)體領(lǐng)域起步較晚,存儲半導(dǎo)體自給率較低。根據(jù) CRM閃存市場數(shù)據(jù),2022 年第二季度,三星電子、鎧俠等全球前 5 家 NANDFlash 廠商市場占有率超過 95%。近年來中國大陸在 EEPROM、NOR Flash 等非易失性存儲半導(dǎo)體領(lǐng)域涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀企業(yè),并在國內(nèi)外積累了良好的品牌認(rèn)知及客戶資源,已初步具備國產(chǎn)替代的能力。
中國大陸企業(yè)長江存儲的 232 層 NANDFlash也已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),加快了存儲半導(dǎo)體領(lǐng)域的國產(chǎn)替代進(jìn)程。過去,由于 NANDFlash被海外廠商壟斷,中國大陸包括 Flash 控制技術(shù)在內(nèi)的存儲領(lǐng)域各環(huán)節(jié)技術(shù)發(fā)展相比于海外廠商不存在優(yōu)勢,隨著長江存儲的技術(shù)突破,中國大陸存儲半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)將具備更強(qiáng)的發(fā)展動力。
④移動存儲應(yīng)用前景廣闊
移動式存儲作為 NANDFlash 最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一,過去主要用于個(gè)人便攜式存儲產(chǎn)品,隨著視頻創(chuàng)作、互聯(lián)網(wǎng)直播、無人機(jī)、行車記錄儀等領(lǐng)域在近年來的爆發(fā)式發(fā)展,對易更換、易維護(hù)、易升級的移動存儲產(chǎn)品的需求量、性能要求不斷提升。
相較于存在標(biāo)準(zhǔn)容量限制的嵌入式存儲和存在流量或訂閱費(fèi)用的云存儲,移動存儲在無損音樂、高清視頻、VR 游戲本地文件等大容量中高頻應(yīng)用需求上具備應(yīng)用優(yōu)勢。存儲盤及存儲卡等移動存儲產(chǎn)品也作為跨用戶線下數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詈?1 公里發(fā)揮著難以替代的作用。根據(jù) VantageMarketResearch 數(shù)據(jù),到2028 年,USB 存儲盤市場規(guī)模將保持超過 7.0%的年復(fù)合增長率。IC Insights 預(yù)計(jì),2022 年存儲卡將占全球 NAND Flash 存儲空間總需求量的 13%。