AI行业系列报告:从算力到存力:存储芯片研究框架.pdf
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1、2023年4月3日从算力到存力:存储芯片研究框架AI行业系列报告证券研究报告行业评级:看好分析师陈杭邮箱证书编号S1230522110004研究助理安子超邮箱电话18611396466添加标题95%摘要22023年3月31日,我国发起对美光在华销售产品的网络安全审查,体现出存储产业安全的重要性。此外,AI算力需求拉动高算力服务器出货,而AI服务器的存力需求更强,AI将驱动“从算力到存力”的中长期需求:1、海外厂商占据绝对份额,国内存储安全重要性凸显存力的底层支撑:半导体存储器芯片(主流为DRAM+NAND Flash)。存力的体现形式:数据中心+存储服务器。海外巨头垄断,国内存储安全重要性日益
2、凸显。全球DRAM市场几乎由三星、SK海力士和美光所垄断,CR3 超过 95%,全球NAND flash市场由前三大厂商分别为三星、铠侠和海力士,目前 CR3 市场份额达 65%,CR6 市场份额接近 95%。2、国内数据圈庞大,AI驱动“从算力到存力”的长期需求得益于人工智能、物联网、云计算等新兴技术的快速发展,中国数据正在迎来爆发式增长,驱动存储设备在数据中心采购占比进一步提升。据IDC预测,预计到2025年,中国数据圈将增长至48.6ZB,占全球数据圈的27.8%,成为全球最大的数据圈。AI技术革命推动高算力服务器等基础设施需求提升,AI服务器所需的DRAM/NAND分别是常规服务器的8
3、/3倍。3、存储周期拐点已至,库存改善、价格压力缓解美光23Q1存货环比小幅回落,集邦咨询预测23Q2DRAM价格跌幅收窄至10%-15%(23Q1为20%),库存情况改善、价格压力缓解,存储行业周期迎来拐点。4、先进存力的前进方向:存算一体、HBM/DRAM、3D NAND存算一体:将存储单元和计算单元合为一体,省去了计算的数据搬运环节,消除由于数据搬运带来的功耗,提升计算能效。HBM/DRAM:作为存储器主流之一的DRAM技术不断升级,衍生出HBM(高带宽内存),其是一款新型的CPU/GPU 内存芯片,将多个DDR芯片堆叠后与GPU封装在一起,实现大容量,高位宽的DDR组合阵列,突破内存容
4、量与带宽瓶颈。3D NAND(立体堆叠技术):可以摆脱对先进制程工艺的束缚,不依赖于EUV技术,而闪存的容量/性能/可靠性也有了保障。建议关注标的:兆易创新、北京君正、澜起科技、深科技、东芯股份、聚辰股份、普冉股份、江波龙、佰维存储、德明利易华录、朗科科技、恒烁股份、同有科技、雅创电子风险提示31、宏观经济下行风险2、上游晶圆紧缺加剧的风险3、市场发展不及预期的风险4、技术发展不及预期风险01Partone4存力概况01存力底层支撑体现形式半导体存储器芯片数据中心存储服务器存力主要由数据中心和存储服务器驱动存储技术架构SANNASDAS集中式存储分布式存储文件存储块存储对象存储其他NFS CI
5、FS FTPSCSIiSCSINVMeS3SwiftHDFS表存储IP组网FC组网IB组网机械硬盘固态硬盘磁带光盘连接方式存储架构存储类型和协议组网方式存储介质资料来源:下一代数据存储技术研究报告(2021 年),中国信息通信研究院,浙商证券研究所得益于人工智能、物联网、云计算、边缘计算等新兴技术在中国的快速发展,中国数据正在迎来爆发式增长。据此前IDC预测,预计到2025年,中国数据圈将增长至48.6ZB,占全球数据圈的27.8%,成为全球最大的数据圈。我国数据量爆发驱动存储需求增长05010015020025030035020172018201920202021资料来源:联想、IDC、中国
6、存力白皮书(2022年),中国信通院,中国数据存储行业发展深度调研与投资前景研究报告(2023-2030年),浙商证券研究所-10%10%30%50%70%90%110%130%0100020003000400050006000700080009000201720182019202020212022E2023E市场规模(亿元)YOY0102030405020182025ECAGR=30%中国新增数据量统计及预测中国数据存储市场规模预测我国存储容量增量01数据中心驱动存储需求增长017随着数据量的大规模增长,存储设备在数据中心采购的BOM中占比进一步提升,美光曾提及,目前存储芯片在数据中心采购中
7、比例约为40%,未来预计将提升至50%。数据中心将成为引领存储市场增长的重要引擎。SRAMLow Latency DRAMConventional DRAMSCMLow Latency DRAMSSDHDDTapeHOT(10ns)Warm(110us)Less Warm(100us)Cold(1ms)Frozen(1s)10K HDD15K HDD服务器应用缓存计算存储暖存储7.2K/5.4K联想存储服务器ThinkServer DN8848 V2处理器两颗英特尔至强可扩展处理器,最大支持TDP 205W内存最多24个DDR4 DIMM 插槽;支持RDIMM和LRDIMM,内存频率最高320
8、0 MHz;最多支持8根英特尔Optane持久内存200系列扩展性(扩展插槽)Up to 8 FHFL PCIe Gen4 Slots+1 OCP 3.0支持机箱内置Raid卡(通过机箱内置PCIe riser)最多 4个单宽GPU(60W)主板硬盘控制器最多48+4个硬盘资料来源:联想,闪存市场,浙商证券研究所存储器芯片提供底层支撑018资料来源:CSDN,华经产业研究院,浙商证券研究所存储器RAMROMSRAMDRAMFRAMPROMEPROMEEPROMFLASHNANDNOR2D3D串行并行只读存储器随机存储器DDRLPDDRNAND,39%DRAM,61%其他,3%应用存储:华邦、旺
9、宏、兆易创新、Cypress、美光密码存储:三星、SK海力士、美光、南亚、华邦数据存储:三星、SK海力士、英特尔、美光、西数、铠侠全球存储市场:国外厂商垄断,行业高度集中019数据来源:statista、浙商证券研究所0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Q118Q218Q318Q418Q119Q219Q319Q419Q120Q220Q320Q420Q121Q221Q321Q421Q122Q222Q322Share of revenueSamsungSK HynixMicron GroupNanyaWinbondPowerchipElpidaOthers0%10%2
10、0%30%40%50%60%70%80%90%100%Q118Q218Q318Q418Q119Q219Q319Q419Q120Q220Q320Q420Q121Q221Q321Q421Q122Q222Q322Market shareSamsungKioxia*WDCSK HynixMicronIntelOthers全球存储市场绝大部分份额由国外厂商占有,呈现寡头垄断格局,行业集中度较高。根据statista数据,截至2022Q3,全球DRAM市场几乎由三星、SK海力士和美光所垄断,CR3 超过 95%,三星、海力士和美光分别占比 41%、29%和 26%。全球NAND flash市场由前三大厂商
11、分别为三星、铠侠和海力士,2022Q3 市场份额分别为 31.4%、20.6%和 13.0%,目前 CR3 市场份额达 65%,CR6 市场份额接近 95%。全球市场DRAM竞争格局全球市场NAND flash竞争格局存算一体02Partone10芯片的发展速度和人工智能的算力需求之间的矛盾加剧0211 芯片的发展速度和人工智能的算力需求之间的矛盾加剧:21世纪以来,信息爆炸式增长,算力需求大规模上升,提升算力成为芯片行业的共同目标。随着半导体发展放缓,摩尔定理逼近物理极限,依靠器件尺寸微缩来提高芯片性能的技术路径在功耗和可靠性方面都面临巨大挑战,芯片的发展速度无法满足人工智能需求。算力发展无
12、法满足人工智能的需求数据来源:CSDN,Intel,Nvidia,OpenAI,清华大学微电子学研究所摩尔定律陷入发展瓶颈数据来源:Salahuddin,S.,Ni,K.&Datta,S.(2018),传统计算架构面临发展挑战0212 冯 诺依曼架构:该架构以计算为中心,计算与内存是两个分离单元。计算单元根据指令从内存中读取数据,在计算单元中完成计算和处理,完成后再将数据存回内存。先进制程的优势有限:随着摩尔定理发展放缓,基于传统架构的芯片计算性能发展速度明显放缓。基于传统架构的先进制程工艺虽一定程度能够提升芯片的性能表现,但从投入产出比、芯片性能可靠性及应用场景的适配度角度考虑都面临较大挑战
13、。CISC 22%/年RISC 52%/年多核技术发展期 23%/年多核技术瓶颈期 12%/年摩尔定理放缓 3%/年计算性能数据来源:清华大学微电子学研究所,J.Hennessy&D.Patterson,2019冯诺依曼架构控制器运算器输出输入存储器冯 诺依曼瓶颈 在传统架构下,从7nm到5nm的研发成和生产成本约增加50%,但性能提升只有10%-20%;联电、格罗方德等芯片制造商已经放弃先进制程,转而聚焦在14nm制程上 随着集成电路尺寸进一步缩小,芯片的性能可靠性受到挑战,由“短沟道效应”和“量子隧穿效应”等引发的芯片漏电,高功耗,产品发热问题引发关注。先进工艺下尽管芯片拥有大算力,但同时
14、也产生了高能耗,对于功耗敏感的应用场景,先进制程不占优势。数据来源:Insights,量子位存算一体芯片深度报告,CSDN传统构架下性能提升达到极限存算一体是先进算力的代表技术0213 存算一体是先进算力的代表技术:传统构架下性能提升达到极限,冯 诺依曼架构已成为发展芯片算力的桎梏,存算一体是一种新型计算架构,它是在存储器中嵌入计算能力,将存储单元和计算单元合为一体,省去了计算过程中数据搬运环节,消除了由于数据搬运带来的功耗和延迟,提升计算能效。存算一体阵列存算一体阵列存算一体阵列存算一体阵列输出输入降成本提算力降能耗算力提升10-100倍能耗降低至1/10-1/100传输功耗约为0数据来源:
15、量子位存算一体芯片深度报告存储单元变成运算单元运算单元的数量级增加算力提升同样数量的晶体管完成更大算力同等算力所需晶体管更少,芯片面积更小成本降低省去了频繁数据搬运带来的功耗损失降能耗存算一体架构HBM/DRAM03Partone14DRAM的应用场景主要有智能手机、PC、服务器031530%32%34%36%38%40%42%44%20192020202120222023E2024EServer DRAMMobile DRAM智能手机,39%服务器,34%PC,13%其他,14%2021年全球DRAM下游应用占比服务器与移动DRAM产出比重资料来源:华经产业研究院,TrendForce,浙商
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