半导体设备报告.docx

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半导体设备报告

2021年半导体设备报告

国家战略级项目，长存规划宏伟领航大陆NAND产业发展

长江存储是国家战略级项目，是大陆首家实现64层3DNAND量产的IDM企业。

我们从股权结构、子公司、技术架构、工厂规划、产品定位五个方面看长存：

1）从股权结构看，长存受国家和地方产业基金大力支持，紫光国器（隶属紫光集团）、大基金、湖北省科技投资集团和湖北国芯产投为公司大股东，分别持股51.04%、24.09%、12.99%和11.88%。

2）从子公司布局看，全资子公司武汉新芯聚焦Norflash，与长存NAND补齐Flash版图，其他子公司覆盖设计、封测、科技服务等存储产业链多环节，相互配合发展。

3）从技术架构看，长存自主研发“Xtacking”架构，并推出全球第一款基于该架构的64层3DNAND产品。

在Xtacking架构下，产品具有更高存储密度和研发效率、更短生产周期及更灵活定制化能力。

公司已发布128层3DNAND产品，目前海外厂商最新节点为2020年底量产的176层3DNAND，较长存仅领先一代。

4）从工厂规划看，长存计划建设三大工厂，每个工厂满产产能均为10万片/月，并计划于2025年实现满产，三大工厂满产后预计每年实现产值1000亿人民币。

到2019年和2020年底，长存产能分别达到2万/月、4万/月，根据十四五规划，2021年、2022年、2023年、2024年、2025年长存产能分别将达到10万片/月、15万片/月、20万片/月、25万片/月、30万片/月。

5）从产品定位看，目前重点针对消费类SSD和手机嵌入式市场，目前64层3DNAND初期的终端应用包括SSD和USB驱动器，之后将切入主流应用市场包括智能手机、PC，再逐步切入到数据中心和服务器市场。

行业寡头垄断，长存引领大陆3DNAND产业踏上自制征程

NAND是存储器第二大细分市场，2020年全球市场规模为494亿美元，占存储器市场规模的比例高达42%。

NAND行业进入门槛高，存在技术、产业整合、客户认可、资金、规模和人才六大壁垒。

行业市场格局集中，份额被三星、东芝、西部数据、海力士、Intel、美光6家厂商瓜分，市占率合计超过95%。

中国是全球第二大NAND市场，占比超过31%，但大陆自制率几乎为0%。

“大市场”+“低自给率”，大陆NAND国产化势在必行。

截至2020年末长江存储取得全球接近1%市场份额，成为六大国际原厂以外市场份额最大的NAND晶圆原厂。

根据我们测算，随着长存规模起量，2025年全球市占率将有望达到约6%。

借国产化东风，产业链迎来发展良机

长存大规模量产势必将带来封测、设备、材料等环节大陆领先企业发展机遇。

1）设备：

根据我们的测算，设备价值量最大的三个环节刻蚀、光刻、PVD+CVD预计21年的设备需求分别为420、48、720台，2022/2023/2024/2025年带来刻蚀、光刻、PVD+CVD的设备需求量每年均为350/40/600台。

大陆企业已在多种设备有布局，但国产化率仍较低，如蚀刻设备国产化率<20%、光刻设备国产化率<10%、PVD/CVD设备国产化率<10%。

低自给率叠加广阔发展空间，国产设备商迎来快速发展机遇。

2）封测：

长存自身封测产能无法满足需求，部分封测外包，利好国内具备NAND封测能力供应商。

中国大陆具备封测能力的包括深科技、华天科技、长电科技、通富微电等。

我们认为大陆具备NAND封测能力的企业将有望受益长存大规模量产。

3）材料：

硅片、电子气体、光掩模市场规模最大，其他材料包括抛光材料、光刻胶、靶材等，国外厂商占据绝大部分市场份额，内资厂商积极布局抓住市场机遇。

材料领域，大陆优质公司如特殊气体公司华特气体、IC载板公司深南电路和兴森科技、江丰电子（靶材）、硅产业（硅片）等。

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自主研发Xtacking架构，规划宏伟

领航大陆NAND产业发展

大陆首家实现64层3DNAND闪存量产的内资IDM企业，国家和地方产业基金大力支持发展。

长江存储（缩写“YMTC”，简称“长存”）致力于提供3DNAND闪存设计、制造和存储器解决方案的一体化服务，产品广泛用于移动通信、消费数码、计算机、服务器等领域。

公司于2016年7月在武汉成立，发展至今已近四年。

2017年10月，长存成功设计并制造了中国首款3DNAND闪存。

2019年9月，公司成功量产64层TLC3DNAND闪存。

2020年4月，公司宣布128层TLC/QLC两款产品研发成功，其中X2-6070是业界首款128层QLC闪存，I/O速度、存储密度和单颗容量均为业界最高。

公司受国家和地方产业资金的全力支持，控股股东为紫光国器（隶属于紫光集团），持股51.04%，大基金持股24.09%，为第二大股东，湖北省科技投资集团有限公司持股12.99%，湖北国芯产业投资基金合伙企业持股11.88%。

长江存储3DNANDFlash+武汉新芯NorFlash，补齐闪存版图。

长存全资子公司武汉新芯（缩写“XMC”）可提供从90nm到45nm的高性能NorFlash产品，是全球首家量产45nm8GbNorFlash制造商，具备超过10年NorFlash制造经验。

武汉新芯成立于2006年，2008年开始提供12寸晶圆代工服务，2017年开始聚焦IDM战略，开发高性价比SPINorFlash产品，截止2018年年底已累计出货晶圆78万片。

目前，武汉新芯已建成两座工厂，每座工厂的最大产能超过3万片/月。

2020年，NORFlash全球市场规模约为23亿美金，NAND全球市场规模约为566亿美金，长江存储+武汉新芯补齐Flash产业版图，并从数十亿规模市场步入体量超二十倍的NAND闪存市场，闪存帝国正在崛起。

其他子公司覆盖设计、封测、科技服务等存储产业链多环节，相互配合发展。

长江存储旗下全资子公司长存创芯、紫光存储和武汉长存科技分别负责存储芯片的设计、研发以及科技服务的业务，协同提供技术支持。

子公司紫光宏茂微电子业务涵盖3D闪存封测的研发、生产以及销售业务，湖北三维半导体专注于半导体三维集成制造关键技术及产业化。

贸易方面，长江先进存储产业创新中心，业务涉及货物进出口与技术进出口等。

各公司业务相互协调合作，共同发展。

“自主研发”+“对外合作”构筑雄厚实力，推出自主设计架构“Xtacking”。

长存大力投入研发，目前研发中心遍布武汉、上海、北京等多地，并与包括中科院微电子所、群联电子、江波龙电子、威刚科技、联芸科技、慧荣科技、国科微等科研院校和产业公司开展合作。

公司在全球共有员工6000余人，其中包括研发工程师约2200人。

长存NAND技术来源于Spansion（已被Cypress收购），已获得整套技术的完整授权，拥有独立知识产权。

获取授权后，长存投入超过1800名工程师、超过10亿美元和近两年时间重新设计了新的架构Xtacking。

2018年8月7日，长存在2018FMS峰会上发布Xtacking1.0架构闪存技术，目前该架构已更新至第二代。

长存于2018Q3成功量产32层3DNAND产品，成为中国大陆首家具备3DNAND生产能力的内资厂商。

2019年9月，公司基于Xtacking架构成功量产64层TLC3DNAND闪存。

2020年，公司宣布128层TLC/QLC两款产品研发成功。

长存不断缩短和世界领先水平的距离，将有望引领国产NAND产业崛起。

不同于传统3DNAND架构，Xtacking技术属于自主创新，是突破技术封锁和专利的利器。

在传统NAND架构中，I/O及记忆单元操作的外围电路和存储单元在同一片晶圆上制造。

在长存Xtacking架构中，I/O及记忆单元操作的外围电路被生产在一片晶圆上，而存储单元在另一片晶圆上被独立加工，当两片晶圆各自加工完成后，Xtacking技术只需一个处理步骤即可通过数十亿根金属垂直互联通道（VIA，VerticalInterconnectAccess）将二者键合接通电路，并封装到同一个芯片中。

因长存的方案需要两片晶圆且增加了后端制造工艺，因此成本较传统NAND有所提升，根据长存官方口径，仅增加了有限的成本。

Xtacking优势突出，具有更高的存储密度和研发效率，同时可缩减生产周期。

在传统3DNAND结构中，外围电路占芯片面积的比例约为20-30%，若层数增加到128层及以上时，该比例将提升到50%以上，大大降低了单位硅片的芯片数量。

长存的Xtacking架构将外围电路置于存储单元之上，可实现更高的存储密度。

该架构的存储单元和外围电路分开独立加工，可实现并行和模块化的产品设计和制造.根据长存官方信息，开发时间可缩短三个月，生产周期缩短20%，可大幅度缩短产品的上市时间，进而利于长存以更快的速度追赶国际先进水平。

同时，模块化也提供了外围电路创新和NAND产品定制化的可能性。

三大工厂规划宏伟，启动资金240亿美金，预计2025年产值1000亿人民币/年。

长存规划宏伟，计划建设三大工厂，每个工厂规划产能均为10万片/月，计划于2025年实现满产，三期工厂满产后预计每年实现产值1000亿人民币。

到2019年和2020年底，长存产能分别达到2万/月、4万/月，根据十四五规划，2021年、2022年、2023年、2024年、2025年长存产能分别将达到10万片/月、15万片/月、20万片/月、25万片/月、30万片/月。

截至2020年末长江存储取得全球接近1%市场份额，成为六大国际原厂以外市场份额最大的NANDFlash晶圆原厂，预计2025年底占全球总产能的比例将达到约6%。

现阶段长存重点针对消费类SSD和手机嵌入式市场。

2019年手机嵌入式存储和SSD的位元需求量分别占总需求的38%和49.6%，其中消费级SSD需求占SSD总需求的79%，消费级SSD和手机嵌入式存储是NAND闪存应用的主要领域。

长江存储在2020年初表示，根据芯片容量的适配度，目前企业的开发重点聚焦消费类SSD和手机嵌入式产品市场。

目前64层3DNAND初期的终端应用包括SSD和USB驱动器，之后将切入主流应用市场包括智能手机、PC，再逐步切入到数据中心和服务器市场。

目前公司已开始与智能手机制造商合作开发，也成为2020年政府大规模数据中心建设唯一闪存供应商。

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行业寡头垄断，长存引领大陆3D

NAND产业踏上自制征程

2.1NAND是存储器第二大细分市场，从2D到3D是大势所趋

NAND占存储器市场规模的比例高达42%，为第二大细分市场。

2020年，全球半导体市场规模4402亿美元，存储器市场规模为1172亿美元，NAND闪存市场规模为494亿美元，存储器占全球半导体市场规模的比例为27%，NAND占全球存储器市场的比例为42%，是存储器分支中市场规模第二大的产品。

NAND属于非易失性存储芯片，储存容量大，应用广泛。

存储芯片根据断电后数据是否丢失，可分为非易失性存储芯片和易失性存储芯片，前者包括Flash（NOR和NAND），后者包括RAM（DRAM和SARM）。

NORFlash存储容量较小，但读取速度快，主要用于存储代码。

NAND以块的子单元进行重写和擦除，可以实现更快的擦除和重写，且存储容量大，广泛用于SSD（固态硬盘）、手机、平板、服务器、USB驱动器和存储卡等。

NAND从2D到3D是大势所趋，可突破存储容量限制瓶颈。

2D在平面上对晶体管尺寸进行微缩，从而获得更高的存储密度，但晶体管尺寸微缩遇到物理极限，现已面临瓶颈，达到发展极限。

为了在维持性能的情况下实现容量提升，3DNAND成为发展主流。

3DNAND把解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层，成功解决了平面NAND在增加容量的同时性能降低的问题，实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。

2019年，3DNAND的渗透率为72.6%，已远超2DNAND，且未来仍将持续提高，预计2025年3DNAND将占闪存总市场的97.5%。

垂直沟道3D结构搭配MLC和TLC颗粒类型，为主要产品类型。

3DNAND一般使用MLC（每单元存储2比特数据）或者TLC（每单元存储3比特数据）闪存颗粒。

随着每单元存储bit数增加，闪存颗粒的容量逐渐增大，但是擦写速度和寿命都会减少，价格也随之降低。

长江存储64层产品采用TLC闪存颗粒，具有性价比优势。

3DNAND结构可以分为简单堆叠、VC垂直沟道和VG垂直栅极三种，目前市面上3DNAND主要为垂直沟道形式。

美光和英特尔采用浮动栅极结构，在栅极和沟道之间加入电绝缘浮栅。

长江存储芯片基于垂直沟道结构并采用“电荷陷阱存储单元”，以氮化硅绝缘层作为捕获层，有效减少了电荷泄露，允许在较低电压下写入和擦除，增加了使用寿命，可靠性好、成本较低，相比浮动栅极结构技术难度较小。

在高层扩展方式上，串堆叠是主流策略。

3DNAND存在单层和串堆叠两种层数扩展方式。

单层方法指在单片裸片上增加层数，三星从64层迁移到128层正是采用该方式;另一种是串型堆叠，即以在一个平台顶部堆叠另一个平台的方式增加总层数，如厂商将两个单独的32层存储器进行叠加从而实现64层芯片。

从成本和技术角度来看，串型堆叠制造单个芯片所需的步骤数是原先的两倍，进而增加了成本和周期时间。

随着层数增加，单层方法的技术难度剧增。

目前在128层的制造上，双层堆叠是主流策略。

长江存储64层采用单层的扩展方式，采用单层扩展增加层数，为未来通过双层堆叠以获得128层打下基础。

2019年64/72层3DNAND产出比重64.9%，为全球产出的主要部分，92/96L3DNAND产出比重占总体的21.3%。

根据DRAMeXchange估计，随着110+层闪存芯片的推出，92/96层会被快速取代，产出占有率在2020年略微提升后逐步下降，预计2023年市场总产出的72.5%会被110+占据。

3DNANDFlash层数增加，工艺制程难度加大。

3DNANDFlash具有容量更高、性能更好、单位Bit成本更低、功耗更低的优势。

美光的3DNAND闪存存储容量可以达到2DNAND的3倍。

3DNAND闪存难点在于制造工艺需要高度的准确性，主要因每一层存储器件阵列都需要完美对准。

2.2多应用驱动NAND市场增长，已步入新一轮上升周期

从下游应用领域看，手机和SSD是NAND前两大应用市场，合计占有87%市场份额。

NAND广泛用于智能手机、平板电脑、SSD、OTT、数码相机等众多领域，其中手机和SSD构成了下游的最主要需求。

在2019年NANDFlash的需求构成中，SSD占比49.6%，手机占比38%。

从历年变化趋势看，SSD增长明显。

2013年，SSD占NAND的市场比例为13%，到2017年已超越手机成为第一大下游应用市场。

一方面，超大型数据中心的建设带动大量企业级SSD需求;另一方面，消费级SSD合约价连续走低，也刺激了其对HDD在消费领域的替代。

到2019年，SSD占NAND市场比例已增长到49.6%，到2022年将有望达到52.4%。

随着5G带来智能手机步入技术创新和出货量上行周期，手机将有望持续占据第二大应用市场地位。

2.2.1数据中心+智能手机贡献NANDFlash主要增长动力

SSD市场由消费级SSD主导，由企业级SSD推动增长。

全球SSD出货量呈现出逐年扩张的趋势，2020年全球SSD总出货量3.3亿台，同比增长20.8%，预计2021年全球SSD出货量将达到约3.89亿台，2019年至2021年CAGR为24.5%。

企业级SSD主要用于数据中心服务器，消费级SSD应用于PC、相机、游戏机等终端领域。

2020年消费级SSD占总SSD市场规模的80%，是SSD市场规模的主要构成;企业级SSD比重逐年增长，由2020年的13%到2026年预计提升至20%。

相对于消费级领域对于原材料成本控制的看重，企业级应用端更看重存储产品的完整性，企业级SSD凭借自身高性能、高效率和安全可靠的特点，取得了快速发展，是SSD增长的主要动力。

大厂数据中心布局加紧，全球服务器迎来“大年”。

以Facebook、谷歌、亚马逊、微软为首的全球云厂商季度资本支出自20Q1起不断增加，受疫情影响不断增加资本支出。

21Q1亚马逊、微软、谷歌三大厂商云计算业务收入总和为264亿美元，同比增长41%，云厂商资本开支有望继续上升。

在经历19年的下跌之后，国内主要云厂商（XX+腾讯+阿里）资本开支在1Q20处开始增长。

全球云市场高速增长，以及国内的新基建使得数据中心投资火热，拉动服务器需求，利好企业级SSD增长。

19-21年企业级SSD需求CAGR为15.8%。

2019年企业级SSD出货量3110万台，占全球NANDFlash产值的25%，预计2021年企业级SSD出货量增长至4170万台，19-21年CAGR为15.8%。

企业级SSD容量逐年扩大，2019年企业级SSD平均容量达到2.3TB，2020年将增长至2.7TB。

大数据时代数据的产生和运算速度都在急速上升，所有的信息都需要存储空间，政府和企业的大规模数据中心，云服务器和社交软件产生的流量信息等会使企业级SSD的需求动力保持增长。

SSD价格降低，刺激SSD在消费级领域实现替代。

消费级SSD的应用领域包括PC、USB、相机、智能家电等。

消费级产品对于性能的要求没有企业级产品高，存在一定的容错度，价格是提高渗透率的关键因素。

随着消费级SSD合约价连续七季走低，SSD的购买成本已经和高端HDD相差无几，激发了消费级厂商用SSD替换HDD的热情。

固态硬盘正在笔电、存储系统等中替代硬盘。

固态硬盘（SSD）以NAND闪存为存储介质，能够提供更快的速度、更小的尺寸、更坚固的结构和更低的功耗。

SSD价格的下跌刺激了从传统硬盘到SSD的转化进程，SSD已经在工业系统、PC、服务器等多领域开展技术替代，2020年PC端消费级SSD搭载率将近72%。

传输更快的PCIe接口正在取代SATA接口。

固态硬盘接口主要有分为SATA接口和PCIe通道接口，在颗粒相同的情况下PCIe可以实现更高的性能。

SATA3.0带宽为6GB/s，极限传输速度600MB/s，PCIe通道可把传输通道带宽提升到10GB/s，极限传输速度超过SATA3.0，达到678.80MB/s。

在2016年全球PCOEM市场中，SATA为主要介面，占总体的85%，2020年PCIeSSD占比增长至85%，逐渐替代SATA成为主要介面。

两大新款游戏机改用SSD，单台消耗闪存芯片量为笔记本两倍。

Sony的PS5和微软的XboxSeriesX在2020年圣诞档出售，这两款游戏机的内部存储系统均用以NANDFlash为材料的SSD替代传统HDD，每台游戏机预计搭载存储容量1TB，约等于每台笔记本电脑NANDFlash容量的两倍，游戏机领域有望成为SSD的新兴需求之一。

2.2.25G有望带来智能手机出货量回升，叠加容量翻倍贡献NAND增长动力

5G换机驱动NAND智能手机出货量回升。

全球智能手机市场从2016年以来逐渐萎缩，2019年全球智能手机出货量同比下降2.3%，总量约13.7亿台，2020年受到疫情影响，出货量继续萎缩，据估计2020年全球共出货约12.8亿台，同比下降6.6%。

2020年为5G手机元年，此后几年智能手机持续处于5G手机换机潮中，叠加疫情后经济复苏因素，IDC预测2021年全球智能手机出货量增速将达到7.7%，增长至13.8亿台，2022年延续增长趋势，出货量达到14.3亿台，增速为3.8%，2020-2025年实现CAGR3.7%。

5G手机更大的存储和吞吐量需求拉动存储市场。

单机“大容量”是趋势，新款5G手机存储容量大幅增长。

华为Mate40Pro5G、iPhone12Pro、三星GalaxyS21Ultra5G以及小米11Ultra的存储容量均可达到512GB的上限，OPPOReno6Pro+的容量也达到256GB。

单机存储容量的扩大将会继续，预计2020-2026年智能手机平均存储容量可实现约20%的CAGR。

目前5G中低端机常用存储产品为UFS2.1闪存、5G高端机中UFS3.1闪存成为标配。

华为Mate40Pro更是采用了自研的SFS1.0闪存，据第三方机构实测结果，读写速度远超UFS3.1。

据长江存储首席执行官杨士宁曾在2020年北京微电子国际研讨会上公开表示，长江存储3DNAND已进入华为Mate40供应链，SFS1.0使用的闪存颗粒可能来自长江存储。

5G时代UFS3.1将逐渐占据手机嵌入式市场，拉动高层NANDFlash需求。

UFS2.1双通道的读写速度为822MB/S和242MB/S，性能和UFS3.1存在较大差距，UFS3.1更适用于5G时代，主流品牌旗舰5G手机几乎都使用了UFS3.1闪存。

经过AndroBench测试，目前最高级别的UFS3.1的持续读写速度分别达到1953MB/s和754MB/s，和UFS2.1相比大幅提升。

高层数3DNANDFlash更适配UFS3.0及以上产品，高层NANDFlash需求将加速增长。

2.2.3全球NAND产业已处于上行周期

需求端:

5G+企业云建设将推动NAND闪存市场规模增长。

在5G以及企业云建设带动下全球NANDFlash市场规模将会在2021年延续增长。

受益于疫情带来的远程办公需求，全球闪存产值在2020年强势反弹，产值约为560亿美元，同比上升约30%。

NANDFlash芯片已经应用于手机、PC、相机、服务器、机顶盒、消费电子、U盘等众多领域。

2021年，随着疫情后的经济复苏，形成5G智能手机换机潮，全球智能手机出货量的提升带动存储芯片的增长。

5G手机存储容量大幅提升，2021年各大品牌5G旗舰机型存储量上限几乎都达到了512GB。

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