生成式AI讓DRAM起死回生

2月23日，英偉達(dá)創(chuàng)造了歷史，成為全球第一家市值突破2萬(wàn)億美元的芯片公司，且是無(wú)晶圓廠芯片設(shè)計(jì)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(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)，甚至是前幾年一蹶不振的DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）領(lǐng)域一朝回春。作為半導(dǎo)體行業(yè)的重要組成部分，DRAM市場(chǎng)需求和應(yīng)用也受到了AI發(fā)展的積極推動(dòng)。君不見(jiàn)，春節(jié)過(guò)后，美韓存儲(chǔ)芯片巨頭均宣布漲價(jià)60%。

AI技術(shù)需要大量的計(jì)算資源來(lái)支持其運(yùn)行，而作為一種重要內(nèi)存器件，DRAM為其提供了高速、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)能力。

隨著AI技術(shù)的普及和應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，DRAM需求也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。不過(guò)，為了滿足AI計(jì)算對(duì)高性能、低功耗內(nèi)存的需求，提升DRAM的性能和可靠性，并推動(dòng)相關(guān)技術(shù)升級(jí)換代迫在眉睫。

始于創(chuàng)新，衰于內(nèi)卷

曾幾何時(shí)，始于創(chuàng)新的DRAM因內(nèi)卷而衰落。設(shè)計(jì)之初是為了提升計(jì)算機(jī)的讀寫速度，IBM在1966年發(fā)明了DRAM，之后申請(qǐng)了專利。

1970年，Intel開始量產(chǎn)DRAM，售價(jià)10美元，成功賺取了第一桶金，成為當(dāng)之無(wú)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(chǎng)占有率升至85%，成為第二代DRAM霸主。但其好景不長(zhǎng)，1979年被UTC收購(gòu)，1985年又轉(zhuǎn)賣給法國(guó)Thomson，即后來(lái)的意法半導(dǎo)體，后者通過(guò)專利訴訟獲取了巨額收益。

1980年，日本DRAM廠商出現(xiàn)，以質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)打敗了美國(guó)廠商，當(dāng)時(shí)惠普公布的6家DRAM廠商（美國(guó)3家，日本3家）的內(nèi)存條質(zhì)量對(duì)比顯示，前三名均來(lái)自日本，第四名美國(guó)公司的DRAM不合格率是第三名的7倍，美國(guó)DRAM廠商全面潰敗。

1985年前后，投入巨額DRAM研發(fā)費(fèi)用的Intel陷入巨虧，裁員7200人，關(guān)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(zhuǎn)型邏輯器件。

不過(guò)，美國(guó)的DRAM火種并未熄滅。1978年，幾個(gè)Mostek離職員工創(chuàng)立了美光，1981年，美光DRAM工廠投產(chǎn)，生產(chǎn)64Kbit DRAM。2013年，美光收購(gòu)日本爾必達(dá)，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(chǎn)線，主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心的DRAM芯片。彼時(shí)其全球DRAM銷售額占比為22.8%。

20世紀(jì)80年代中期開始，韓國(guó)芯片制造業(yè)高速發(fā)展。21世紀(jì)初，韓國(guó)已成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)主導(dǎo)力量，SK海力士、三星等的存儲(chǔ)芯片可滿足60%以上的國(guó)際需求。目前，全球前三DRAM企業(yè)中韓國(guó)占據(jù)前二，美光排名第三，中國(guó)的長(zhǎng)江存儲(chǔ)等企業(yè)還在追趕。

卡住英偉達(dá)脖子，DRAM再次起飛

2023年，伴隨英偉達(dá)成為AI芯片領(lǐng)域贏家，作為HBM3（高帶寬存儲(chǔ)器3）存儲(chǔ)芯片主要供應(yīng)商，SK海力士地位日益凸顯。HBM3對(duì)于提高AI性能至關(guān)重要，而SK海力士是目前唯一能夠量產(chǎn)HBM3的公司，因此也卡了英偉達(dá)的脖子，價(jià)格漲了5倍，大賺特賺。

SK海力士2023年第四季度恢復(fù)盈利，營(yíng)業(yè)利潤(rùn)達(dá)到了2.5883億美元。原因是昂貴的AI服務(wù)器（HBM3）和移動(dòng)應(yīng)用（LPDDR5X，三星首款14nm內(nèi)存）需求增加，推動(dòng)了DRAM芯片市場(chǎng)的復(fù)蘇。

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

根據(jù)Yole Group預(yù)計(jì)，HBM1（第一代產(chǎn)品）市場(chǎng)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(zhǎng)，到2029年可達(dá)377億美元。另外，4F2 DRAM存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)、混合鍵合和單片3D DRAM將實(shí)現(xiàn)DRAM2的長(zhǎng)期增長(zhǎng)。SK海力士、三星、美光向3D技術(shù)的轉(zhuǎn)向也將為中國(guó)打開新的機(jī)遇。

事實(shí)上，存儲(chǔ)器市場(chǎng)仍是春寒料峭，DRAM的比特需求量仍居于低位，只有AI服務(wù)器和汽車電子等一些特定應(yīng)用例外。從2022年末開始，ChatGPT等生成式AI應(yīng)用助推了業(yè)界對(duì)DDR5 DRAM和HBM等高速存儲(chǔ)器技術(shù)的興趣，特別是數(shù)據(jù)中心。

在AI計(jì)算強(qiáng)勁需求的推動(dòng)下，HBM市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將顯著超過(guò)整體DRAM市場(chǎng)。2023年，HBM的比特出貨量增長(zhǎng)了93%，2024年預(yù)計(jì)增幅為147%，未來(lái)五年的CAGR將為45%，而數(shù)據(jù)中心DRAM比特將增長(zhǎng)25％。就收入而言，HBM的市場(chǎng)可能從2022年的27億美元飆升至2024年的140億美元，分別占當(dāng)年DRAM總收入的3%和19%。

Yole Group存儲(chǔ)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(chǎn)能轉(zhuǎn)移到了HBM，將使HBM晶圓產(chǎn)量在2024年翻倍，達(dá)到約150kwpm，這減緩了總比特的生產(chǎn)，并導(dǎo)致非HBM產(chǎn)品的短缺加劇?！?/p>

技術(shù)走向3D

在Simone Bertolazzi看來(lái)：“4F2 DRAM的開發(fā)目標(biāo)是在無(wú)需更小光刻節(jié)點(diǎn)的前提下，讓芯片面積比現(xiàn)有6F2結(jié)構(gòu)縮小約30%。此外，隨著4F2單元在2027年前的推出，可望出現(xiàn)CBA（CMOS鍵合陣列）DRAM架構(gòu)，其外圍電路和存儲(chǔ)器陣列會(huì)在單獨(dú)晶圓上加工，然后使用晶圓間混合鍵合堆疊在一起。”

混合鍵合也將成為推進(jìn)HBM技術(shù)必不可少的技術(shù)，用以提高存儲(chǔ)器帶寬和功率效率，并減少堆疊厚度。混合鍵合的實(shí)現(xiàn)預(yù)期將從2026年的HBM4代開始，每個(gè)堆棧將有16個(gè)DRAM管芯，接口寬度增加2倍，最高可達(dá)2048位。

他同時(shí)指出，雖然單片3D DRAM有望成為長(zhǎng)期擴(kuò)展解決方案，但其開發(fā)仍有許多不確定性，未來(lái)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(shù)論文和專利申請(qǐng)披露了采用水平電容的1T-1C單元和無(wú)電容器等可能途徑，如基于浮體效應(yīng)的增益單元（2T0C）或1T-DRAM。

不管怎樣，從2D到3D DRAM的轉(zhuǎn)變將為DRAM產(chǎn)業(yè)帶來(lái)類似歷史上3D NAND技術(shù)演變的重大變革。目前的市場(chǎng)模型表明，3D DRAM可能會(huì)在2030年前后上市，到2035年達(dá)到年約1000萬(wàn)片晶圓（mwpy）的體量，占DRAM晶圓預(yù)期總產(chǎn)量的38％。

領(lǐng)導(dǎo)權(quán)爭(zhēng)奪戰(zhàn)即將升級(jí)

市場(chǎng)分析表明，隨著AI融入智能手機(jī)功能，生成式AI升級(jí)將推動(dòng)DRAM需求激增。LLM（大型語(yǔ)言模型）在高端手機(jī)中的實(shí)現(xiàn)將令DRAM需求增加提前到來(lái)，并加速對(duì)最小NAND存儲(chǔ)容量的逐步淘汰。

數(shù)據(jù)密集型AI和和HPC（高性能計(jì)算）也將推動(dòng)HBM市場(chǎng)增長(zhǎng)，將使HBM產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)超過(guò)整體DRAM市場(chǎng)，供不應(yīng)求的狀況將持續(xù)到2025年，使HBM市場(chǎng)在未來(lái)五年內(nèi)快速增長(zhǎng)。

就在現(xiàn)在，HBM的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)爭(zhēng)奪戰(zhàn)正在升級(jí)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，向3D的轉(zhuǎn)變將為中國(guó)打開新的機(jī)遇。

2013年以來(lái)，SK海力士一直是HBM開發(fā)和商業(yè)化的先驅(qū)，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(jìn)入者，這家美國(guó)公司需要縮短上市時(shí)間，為此將跳過(guò)HBM3代，直接推出HBM3E產(chǎn)品（HBM3 Gen 2）。

對(duì)于中國(guó)公司，DRAM邏輯集成的先進(jìn)封裝技術(shù)和DRAM微縮替代傳統(tǒng)光刻技術(shù)將成為未來(lái)幾年研發(fā)重點(diǎn)。這些目前還開放的途徑?jīng)]有受到商業(yè)上的重大限制，有助于中國(guó)開發(fā)高性能AI芯片，而不使用受限的前沿設(shè)備。通過(guò)利用結(jié)合邏輯和內(nèi)存的More than Moore（超越摩爾定律）解決方案，中國(guó)將繼續(xù)在各個(gè)領(lǐng)域爭(zhēng)奪技術(shù)霸權(quán)，AI計(jì)算是其中的關(guān)鍵領(lǐng)域。

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

隨著“中國(guó)芯”的快速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)逐漸掌握了不少高端存儲(chǔ)和閃存芯片相關(guān)技術(shù)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)更是率先突破了232層NAND閃存芯片，這也讓韓國(guó)和美國(guó)存儲(chǔ)芯片大廠感到擔(dān)憂。為了爭(zhēng)奪中國(guó)市場(chǎng)，前兩年SK海力士、三星、美光等競(jìng)相降價(jià)甩賣。

有跌就有漲，大規(guī)模降價(jià)加上AI需求的增加，像韓國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)的那樣， 2024年韓國(guó)DRAM和NAND閃存芯片價(jià)格將上漲60%以上；美光等美國(guó)廠商也紛紛宣布將要提價(jià)。值得注意的是，中國(guó)是最大的存儲(chǔ)芯片和閃存芯片市場(chǎng)，產(chǎn)品提價(jià)將會(huì)受到較大的影響。

雖然近些年國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)芯片廠商發(fā)展比較快，高端存儲(chǔ)芯片技術(shù)水平已趕上三星、美光、SK海力士等國(guó)際知名廠商，但產(chǎn)能的擴(kuò)張還沒(méi)有跟上，因?yàn)樵O(shè)備和建廠都需要一定的時(shí)間。

由于市場(chǎng)原因以及芯片禁令的限制，美韓存儲(chǔ)芯片廠商在中國(guó)市場(chǎng)的份額正在不斷減少。另外，這幾年由于大幅降價(jià)，國(guó)際大廠存儲(chǔ)芯片庫(kù)存量劇增，現(xiàn)在選擇漲價(jià)也是為了挽回此前的損失。

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，隨著AI存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，廠商投入的技術(shù)研發(fā)費(fèi)用更加不菲，資金壓力也會(huì)進(jìn)一步增加。選擇提高存儲(chǔ)產(chǎn)品出貨價(jià)格，也是為了應(yīng)對(duì)這方面的壓力。

不管怎樣，從目前中國(guó)存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域的快速發(fā)展來(lái)看，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題，國(guó)際大廠肆無(wú)忌憚的日子已經(jīng)不多了。