半导体及AI观察系列三
总结
半导体与宏观经济呈现强相关性，考虑到美国加息周期临近尾声，经济衰退压力上行，本轮全球半导体行业短期复苏趋势仍有阻力。存储作为行业中的大宗品，周期属性更为突出，行业衰退通常会发生在美元加息尾声或失业率攀升阶段，出现量价齐跌的局面。现阶段，DRAM仍处在下行周期的去库存阶段，市场普遍预测下半年可能出现本轮DRAM的底部周期拐点。
DRAM竞争格局经历洗牌，呈现严重的三大海外大厂寡头垄断格局。21年CR3约为94%，由韩国、美国厂商主导：三星43%、海力士28%、美光23%。长鑫是大陆首家DRAM IDM厂商，规划三期，产能共36万片/月，21年全球市占率3%，正在推进低功耗、高速率LPDDR5 DRAM产品开发。伴随技术突破与产能扩张，长鑫产业链预计充分受益，大规模投产将拉动包括国产设备、封测、材料、设计各环节发展。
AI相关DRAM产品逆势火热：（1）HBM已成高端服务器标配，核心思想是通过先进封装技术对多颗存储颗粒进行3D堆叠，由此获得高带宽、低功耗、小外形等优势。受Chatgpt用户数暴增影响，HBM 23年同比增速预计50%，目前虽然整体占比较低约为2%-3%，但预计25-26年占比有望翻倍。（2）异构计算不可或缺，CXL技术能够让 CPU 与 GPU、FPGA 或其他加速器之间实现高速高效的互联，维护 CPU 内存空间和连接设备内存之间的一致性，从而解决了各设备间的存储割裂的问题，可以大大降低内存的分割导致的浪费和性能下降。
一、DRAM整体仍处在底部区域等待反转
在系列篇二中提到，支撑AIGC与大模型的底层硬件基础设施预期在投资层面先行，具体包括AI芯片、CPU、服务器、存储器、光模块等技术迭代。通过拆解AI服务器，按若7.5万台训练型和17.5万台推理型服务器测算，核心组件对应市场规模分别为GPU 240亿美元（较普通服务器价值提升倍数24x）、DRAM 88亿美元（5.3x）、SSD 48亿美元（2x）、CPU 34亿美元、网卡 5亿美元（2.2x）、PCB 3亿美元（2.4x）、高速互联芯片2.5亿美元（3.3x）和散热模组1.5亿美元（3x）。滚师傅在前文介绍了最先受益的GPU预国产AI芯片领域的星星之火，虽然前途光明但道路曲折，充满不确定性。本文则以预期增速排列第二的DRAM继续展开。
周期性：从1980年开始，全球半导体产业历经9轮周期，目前处于2019年开始的第9轮下行阶段，近几轮一般持续3-4年，本次周期疫情打乱节奏，有拉长的趋势。
图表. 全球半导体市场规模强周期属性（亿美元）
数据来源：WSTS、中泰证券
半导体与宏观经济呈现强相关性。根据WSTS公布的销售额数据，全球半导体存在M周期规律，即每十年左右会经历两轮上行和下行周期。除行业自身供需因素外，在宏观波动较大的背景下，美元利率对行业景气度有极强影响。考虑到美国加息周期临近尾声，经济衰退压力上行，本轮全球半导体行业短期复苏趋势仍有阻力。
图表. 半导体行业规模与全球GDP的关联性
数据来源：WSTS、Wind、华西证券
图表. DRAM与NAND占存储市场比重的97%
数据来源：SIA、IC Insigrts、中泰证券研究所
存储作为行业中的大宗品，周期属性更为突出，整体周期性走势一致，但波动性（特别是DRAM）大于其他细分品类。过往周期显示美元利率为先行指标。行业衰退通常会发生在美元加息尾声或失业率攀升阶段，出现量价齐跌的局面。21年数据显示，DRAM占存储芯片市场的比重为61%，市场规模约为930亿美元。同时成长性大于平均水平，近5年成长属性突出。现阶段，DRAM仍处在下行周期的去库存阶段，市场普遍预测下半年可能出现本轮DRAM的底部周期拐点。
图表. 美联储利率与DRAM行业景气度
数据来源：DRAMeXchange、Wind、华西证券
图表. 21-23年DDR4 8Gb与128Gb MLC NAND现货、合约价格走势及预测
数据来源：WSTS预测、华泰研究
供给侧方面，11月16日消息：美光正在減少DRAM和NAND投片，比截至9月1日止的会计年度22年第4季度减少约20%，同时将进一步减少资本支出，9月曾说将23年资本支出减少30%。Q1净利润-23亿美元，亏损创纪录，毛利率-31.4%，存货减值14亿美元（售价低于成本），Q1库存81亿美元，平均153天，22Q4库存214天；海力士23年资本开支较22年下降50%以上，降幅与08、09年金融危机类似；三星营业利润暴跌96%，宣布减产存储芯片。三星表示，公司正在减少存储芯片的生产，将继续投资基础设施建设并扩大研发支出，以巩固其市场领导地位。
4月华安电子观点：据全球半导体观察DRAMeXchange数据，最常见的DRAM产品之一DDR4 16Gb 2600的现货价格在4月11日上涨0.78%，成为自22年3月7日以来的首次价格上涨。
“现货价格的上涨+供需差的缩窄”意味着存储芯片拐点到来的时间有望提前：
①价格端来看，现货价格通常是长期合同价格的领先指标，尽管合约价格依旧低迷（例如，DDR4 8Gb徘徊在1.8美元左右，低于去年初4美元的高位），但现货市场的价格上涨表明景气度正在改善。
②供给端来看，上周三星宣布计划削减存储芯片产量。三星的行动有助于扭转存储芯片的供需失衡，存储厂商或将比预期更早恢复盈利。
③需求端来看，ChatGPT发展带动存储需求提升。年初以来，三星和海力士的HBM订单快速增长。因此，需求上的增长与供给上的减少将造成供需差收窄。
DRAM价格目前仍在下行区间但预计23Q2跌幅会放缓，乐观预计23年下半年价格可能会触底。从库存端来看，库存水位已呈现下降趋势，美光预计其CY23Q1的库存将为峰值。
二、DRAM下游应用与海外寡头垄断格局
21年数据显示，三大下游应用为智能手机（39%）、服务器（34%）、PC（13%，萎缩明显）。智能手机端出货增速有限，单机容量提升为主要推动力。服务器层面，受益人工智能、物联网、云计算，出货量及单机容量提升推动增长。
图表. DRAM下游应用构成（按需求量）
数据来源：Drameexchange、SIA、中泰证券研究所
DRAM竞争格局经历洗牌，呈现严重的三大海外大厂寡头垄断格局，21年数据CR3约为94%，由韩国、美国厂商主导：三星43%、海力士28%、美光23%。长鑫成为行业搅局者。
图表. DRAM三星、海力士、美光市占率变化
数据来源：IDC、Drameexchange、中泰证券研究所
图表. 海外巨头制造销售流程
数据来源：中泰证券研究所
三、长鑫引领国产替代，关注产业链机会
我国为全球第二大DRAM市场，19年占比为34%，仅次于美国的39%。长鑫量产前，本土自给率几乎为0。长鑫是大陆首家DRAM IDM厂商，16年在合肥成立，规划三期，产能共36万片/月。19年19nm 8Gb DDR4投产，22年量产17nm；21年中国大陆DRAM产能占全球4%，长鑫产能占全球DRAM 3%，引领大陆发展。
图表. 长鑫制程紧跟海外大厂步伐
数据来源：中泰证券研究所
长鑫是国家战略级DRAM项目，是大陆首家DRAM IDM厂商，从17年建厂到19年9月正式投产，花费三年时间。从研发实力看，长鑫通过招揽来自多个全球顶级大厂的相关人才，构建自身研发团队，并已收获奇梦达（Qimonda）大量内存专利，融入自身研发体系。长鑫采用与三星等大厂相同的主流堆电容DRAM技术。
22年3月，母公司睿力集成完成新一轮融资工商变更，新增阳光人寿保险股份有限公司、阿里巴巴、中邮人寿保险股份有限公司等 19 位股东，持股比例均未披露。本次变更完成后，睿力集成的注册资本增加至485.8亿元人民币。21年9月，国金证券研报显示，长鑫定位大宗标准型DRAM产品，已量产19nm DDR4/LPDDR4/LPDDR4X等，良率在70-75%，未来2-3年内将推进低功耗、高速率LPDDR5 DRAM产品开发。密切关注长鑫DDR5量产动态。
伴随技术突破与产能扩张，长鑫产业链预计充分受益，大规模投产将拉动包括设备、封测、材料、设计各环节发展。
1）设备先行。从成本构成看，光刻、检测、干法刻蚀是成本最高的三个工艺，占比分别为26%、16%、8%。光刻和检测设备均被国外厂商垄断，上海微电子正在实现光刻机零突破，检测领域可关注精测电子（国产化率3%），中微公司和北方华创在刻蚀设备领域有优势；
2）封测环节。长鑫主要聚焦设计和制造环节，封测外包，将有效拉动封测厂商发展，大陆厂商包括深科技、太极实业、通富微电；
3）材料环节。硅片、电子气体、光掩模市场规模最大，占半导体材料的比例依次为37%、13%和12%，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，大陆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；
4）设计环节。长鑫作为大陆唯一具备DRAM制造的厂商，将为DRAM设计厂商提供产能保障，相互拉动成长。以大陆存储器设计龙头兆易创新为例，兆易和长鑫的产品定位不同的领域，兆易主要针对消费电子、工控和汽车，长鑫主要是手机、电脑和服务器的大客户，兆易负责设计，长鑫负责代工，长鑫的产品也可通过兆易的渠道进行销售。
四、AI服务器底层支持，产品需求逆势火热
21年全球DRAM市场规模约为930亿美元，中金按7.5万台训练型和17.5万台推理型服务器测算，AI服务器相关新增市场规模约为 88亿美元，贡献约9%的增幅。因此，对DRAM产业链整体维持相对谨慎，重点关注AI相关DRAM产品需求。
（1）HBM成高端服务器标配
据semiconductor-digest，到 31 年全球 高带宽存储器市场预计将从 22 年的 2.927 亿美元增长到 34.338 亿美元，在 23-31 年的预测期内复合年增长率为 31.3%。增长可归因于对需要高级内存解决方案的高性能计算、人工智能和图形处理应用的需求不断增长。与传统的 DRAM 内存解决方案相比，HBM 技术提供更高的带宽、更低的功耗和更高的性能。受Chatgpt用户数暴增影响，HBM 23年同比增速预计50%，目前虽然整体占比较低约为2%-3%，但预计25-26年占比有望翻倍。
图表. HBM堆叠结构
数据来源：Synopsys、方正证券研究所
高带宽内存(HBM) 是一种用于3D 堆叠同步动态随机存取存储器的高速计算机内存接口。HBM和传统DRAM在形态上有较大的差异，其核心思想是通过先进封装技术对多颗存储颗粒进行3D堆叠，由此获得高带宽、低功耗、小外形等优势。HBM在2013 年被JEDEC确立为标准，至今已发展出HBM、HBM2、HBM2E、HBM3共四代技术。当前主流的HBM2E带宽是GDDR6 的2-3x，未来HBM3 带宽将达到GDDR7 的4x。凭借高带宽优势，能够有效缓解“内存墙”瓶颈，目前已是Nvidia A100/H100、AMD MI250 等中高端数据中心GPU的标配。
SK Hynix、Samsung、AMD是全球最早将HBM技术商业化的企业，也是现在全球相关技术专利数量最多的几家企业。目前，SK Hynix、Samsung、台积电在HBM制造环节扮演最核心的角色。通过拆解目前高性能计算常用的Nvidia A100 40GB显卡模组来看，其方案为：一张GPU模组搭配6 颗HBM堆栈，每颗堆栈内存容量8GB（8Hi），实际应用过程中5 颗工作，1颗被屏蔽，由此提供40GB的显存支持。
中金认为随着模型的进一步复杂化推理侧采用Nvidia A100/H100 等中高端GPU是大势所趋，HBM的渗透率有望快速提升。测算23/24/25 年中高端GPU所带来的HBM（仅存储堆栈）市场规模为4.11/8.63/16.53 亿美元。考虑到对其他环节的带动，HBM整体市场有望达到20 亿美元以上（25 年）。美光则预计全球HBM（高带宽存储）市场有望21年10亿美元提升至25年70亿美元。
（2）CXL技术有望进一步提升服务器效率
在系列二中有提及异构计算的重要性：CPU作为通用处理器，本身不作任何改变可完成计算，结合其他的芯片实现异构计算时，CPU是必不可少的，如CPU+GPU或CPU+FPGA的异构加速平台，复杂控制及串行部分由CPU执行，并行部分由GPU或FPGA执行。目前适用于服务器的CPU厂商纷纷推出多核CPU，满足深度学习对于并行计算的性能要求。
CXL 全称为 Compute Express Link，为一种全新的互联技术标准，能够让 CPU 与 GPU、FPGA 或其他加速器之间实现高速高效的互联，从而满足高性能异构计算的要求，并且其维护 CPU 内存空间和连接设备内存之间的一致性，从而解决了各设备间的存储割裂的问题，可以大大降低内存的分割导致的浪费和性能下降。
CXL 主要由 INTEL 提出，随后 Nvidia 的 NVLink、AMD 的 GenZ 和 ARM 支持的 CCIX也都曾推向过市场。但由于 Intel 在服务器中市占率的绝对地位，很难绕开 Intel 去推广，所以在解决内存以及互联的问题中，CXL 将成为行业主流解决方案。
图表. CXL的三种使用方式
数据来源：三星
DRAM 池化将改变现在服务器现状。在传统数据中心中存在大量内存问题。微软表示，50%的服务器总成本来自 DRAM。同时 DRAM 的使用效率也不高，造成了严重的浪费。如果引入DRAM 池化，做到按需分配则可以提高使用效率，CXL目前已经完全支持池化技术。如果该理念得到广泛应用，内存将成为提高服务器性能另外的重要手段之一。同时服务器的设计理念也有望从以 CPU 为核心转向以 DRAM 为核心进行设计。
全球大厂目前在积极布局CXL，包括澜起科技、Marvell、Rambus、AMD以及海力士
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