生成式AI讓DRAM起死回生

2月23日，英偉達創(chuàng)造了歷史，成為全球第一家市值突破2萬億美元的芯片公司，且是無晶圓廠芯片設計公司。憑的是什么？憑的就是生成式AI（人工智能）爆棚！

AI火的一塌糊涂，帶動了相關產業(yè)，甚至是前幾年一蹶不振的DRAM（動態(tài)隨機存取存儲器）領域一朝回春。作為半導體行業(yè)的重要組成部分，DRAM市場需求和應用也受到了AI發(fā)展的積極推動。君不見，春節(jié)過后，美韓存儲芯片巨頭均宣布漲價60%。

AI技術需要大量的計算資源來支持其運行，而作為一種重要內存器件，DRAM為其提供了高速、大容量的數據存儲和訪問能力。

隨著AI技術的普及和應用領域擴大，DRAM需求也呈現出快速增長態(tài)勢。不過，為了滿足AI計算對高性能、低功耗內存的需求，提升DRAM的性能和可靠性，并推動相關技術升級換代迫在眉睫。

始于創(chuàng)新，衰于內卷

曾幾何時，始于創(chuàng)新的DRAM因內卷而衰落。設計之初是為了提升計算機的讀寫速度，IBM在1966年發(fā)明了DRAM，之后申請了專利。

1970年，Intel開始量產DRAM，售價10美元，成功賺取了第一桶金，成為當之無愧的第一代DRAM霸主。

德州儀器離職工程師1969年創(chuàng)辦的Mostek在1973年推出4Kbit DRAM，大幅度減小了芯片面積，全球市場占有率升至85%，成為第二代DRAM霸主。但其好景不長，1979年被UTC收購，1985年又轉賣給法國Thomson，即后來的意法半導體，后者通過專利訴訟獲取了巨額收益。

1980年，日本DRAM廠商出現，以質量和成本優(yōu)勢打敗了美國廠商，當時惠普公布的6家DRAM廠商（美國3家，日本3家）的內存條質量對比顯示，前三名均來自日本，第四名美國公司的DRAM不合格率是第三名的7倍，美國DRAM廠商全面潰敗。

1985年前后，投入巨額DRAM研發(fā)費用的Intel陷入巨虧，裁員7200人，關閉了7座DRAM工廠，“落荒”去做CPU邏輯芯片。之后，德州儀器和IBM也退出了DRAM江湖。Motorola和東芝合資的DRAM公司也在1997年轉型邏輯器件。

不過，美國的DRAM火種并未熄滅。1978年，幾個Mostek離職員工創(chuàng)立了美光，1981年，美光DRAM工廠投產，生產64Kbit DRAM。2013年，美光收購日本爾必達，獲得了日本DRAM工廠。2021年，美光斥資70億美元在該工廠附近新建DRAM生產線，主要生產數據中心的DRAM芯片。彼時其全球DRAM銷售額占比為22.8%。

20世紀80年代中期開始，韓國芯片制造業(yè)高速發(fā)展。21世紀初，韓國已成為全球半導體市場主導力量，SK海力士、三星等的存儲芯片可滿足60%以上的國際需求。目前，全球前三DRAM企業(yè)中韓國占據前二，美光排名第三，中國的長江存儲等企業(yè)還在追趕。

卡住英偉達脖子，DRAM再次起飛

2023年，伴隨英偉達成為AI芯片領域贏家，作為HBM3（高帶寬存儲器3）存儲芯片主要供應商，SK海力士地位日益凸顯。HBM3對于提高AI性能至關重要，而SK海力士是目前唯一能夠量產HBM3的公司，因此也卡了英偉達的脖子，價格漲了5倍，大賺特賺。

SK海力士2023年第四季度恢復盈利，營業(yè)利潤達到了2.5883億美元。原因是昂貴的AI服務器（HBM3）和移動應用（LPDDR5X，三星首款14nm內存）需求增加，推動了DRAM芯片市場的復蘇。

SK海力士和美光均表示，今年其HBM產能已全部售罄。DRAM行業(yè)終于迎來了春天！生成式AI和HBM開始推動DRAM市場增長。

根據Yole Group預計，HBM1（第一代產品）市場頗具潛力，有望在2024年增至140億美元。2023-2029年，HBM收益將繼續(xù)以約38%的CAGR增長，到2029年可達377億美元。另外，4F2 DRAM存儲單元設計、混合鍵合和單片3D DRAM將實現DRAM2的長期增長。SK海力士、三星、美光向3D技術的轉向也將為中國打開新的機遇。

事實上，存儲器市場仍是春寒料峭，DRAM的比特需求量仍居于低位，只有AI服務器和汽車電子等一些特定應用例外。從2022年末開始，ChatGPT等生成式AI應用助推了業(yè)界對DDR5 DRAM和HBM等高速存儲器技術的興趣，特別是數據中心。

在AI計算強勁需求的推動下，HBM市場規(guī)模預計將顯著超過整體DRAM市場。2023年，HBM的比特出貨量增長了93%，2024年預計增幅為147%，未來五年的CAGR將為45%，而數據中心DRAM比特將增長25％。就收入而言，HBM的市場可能從2022年的27億美元飆升至2024年的140億美元，分別占當年DRAM總收入的3%和19%。

Yole Group存儲器首席分析師Simone Bertolazzi博士表示：“為了滿足AI浪潮的需求量，三星、SK海力士和美光將更多晶圓產能轉移到了HBM，將使HBM晶圓產量在2024年翻倍，達到約150kwpm，這減緩了總比特的生產，并導致非HBM產品的短缺加劇。”

技術走向3D

在Simone Bertolazzi看來：“4F2 DRAM的開發(fā)目標是在無需更小光刻節(jié)點的前提下，讓芯片面積比現有6F2結構縮小約30%。此外，隨著4F2單元在2027年前的推出，可望出現CBA（CMOS鍵合陣列）DRAM架構，其外圍電路和存儲器陣列會在單獨晶圓上加工，然后使用晶圓間混合鍵合堆疊在一起?！?/p>

混合鍵合也將成為推進HBM技術必不可少的技術，用以提高存儲器帶寬和功率效率，并減少堆疊厚度?；旌湘I合的實現預期將從2026年的HBM4代開始，每個堆棧將有16個DRAM管芯，接口寬度增加2倍，最高可達2048位。

他同時指出，雖然單片3D DRAM有望成為長期擴展解決方案，但其開發(fā)仍有許多不確定性，未來的最優(yōu)策略尚未確定。DRAM企業(yè)正在探索各種方法，一些技術論文和專利申請披露了采用水平電容的1T-1C單元和無電容器等可能途徑，如基于浮體效應的增益單元（2T0C）或1T-DRAM。

不管怎樣，從2D到3D DRAM的轉變將為DRAM產業(yè)帶來類似歷史上3D NAND技術演變的重大變革。目前的市場模型表明，3D DRAM可能會在2030年前后上市，到2035年達到年約1000萬片晶圓（mwpy）的體量，占DRAM晶圓預期總產量的38％。

領導權爭奪戰(zhàn)即將升級

市場分析表明，隨著AI融入智能手機功能，生成式AI升級將推動DRAM需求激增。LLM（大型語言模型）在高端手機中的實現將令DRAM需求增加提前到來，并加速對最小NAND存儲容量的逐步淘汰。

數據密集型AI和和HPC（高性能計算）也將推動HBM市場增長，將使HBM產業(yè)的增長超過整體DRAM市場，供不應求的狀況將持續(xù)到2025年，使HBM市場在未來五年內快速增長。

就在現在，HBM的領導權爭奪戰(zhàn)正在升級。從長遠來看，向3D的轉變將為中國打開新的機遇。

2013年以來，SK海力士一直是HBM開發(fā)和商業(yè)化的先驅，目前的收入份額約為55%，其次是三星，約為41%。直到2020年，美光都缺席了HBM。作為后期進入者，這家美國公司需要縮短上市時間，為此將跳過HBM3代，直接推出HBM3E產品（HBM3 Gen 2）。

對于中國公司，DRAM邏輯集成的先進封裝技術和DRAM微縮替代傳統(tǒng)光刻技術將成為未來幾年研發(fā)重點。這些目前還開放的途徑沒有受到商業(yè)上的重大限制，有助于中國開發(fā)高性能AI芯片，而不使用受限的前沿設備。通過利用結合邏輯和內存的More than Moore（超越摩爾定律）解決方案，中國將繼續(xù)在各個領域爭奪技術霸權，AI計算是其中的關鍵領域。

值得一提的是，3D DRAM將使用“不嚴格對準（relaxed）”光刻節(jié)點（例如20nm），且不需要EUV光刻系統(tǒng)。因此，用于3D DRAM制造的設備支出70%以上集中在沉積和蝕刻系統(tǒng)方面。

隨著“中國芯”的快速發(fā)展，中國已經逐漸掌握了不少高端存儲和閃存芯片相關技術，長江存儲更是率先突破了232層NAND閃存芯片，這也讓韓國和美國存儲芯片大廠感到擔憂。為了爭奪中國市場，前兩年SK海力士、三星、美光等競相降價甩賣。

有跌就有漲，大規(guī)模降價加上AI需求的增加，像韓國半導體協(xié)會預測的那樣， 2024年韓國DRAM和NAND閃存芯片價格將上漲60%以上；美光等美國廠商也紛紛宣布將要提價。值得注意的是，中國是最大的存儲芯片和閃存芯片市場，產品提價將會受到較大的影響。

雖然近些年國內存儲芯片廠商發(fā)展比較快，高端存儲芯片技術水平已趕上三星、美光、SK海力士等國際知名廠商，但產能的擴張還沒有跟上，因為設備和建廠都需要一定的時間。

由于市場原因以及芯片禁令的限制，美韓存儲芯片廠商在中國市場的份額正在不斷減少。另外，這幾年由于大幅降價，國際大廠存儲芯片庫存量劇增，現在選擇漲價也是為了挽回此前的損失。

根據業(yè)內人士分析，隨著AI存儲芯片市場規(guī)模的不斷擴大，廠商投入的技術研發(fā)費用更加不菲，資金壓力也會進一步增加。選擇提高存儲產品出貨價格，也是為了應對這方面的壓力。

不管怎樣，從目前中國存儲芯片領域的快速發(fā)展來看，實現國產化替代只是一個時間問題，國際大廠肆無忌憚的日子已經不多了。