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说说兆易创新的闪存技术

 罗宋汤的味道 2020-07-01

虽然从最高的305块下跌至如今的200块左右,跌幅超过了30%,但兆易创新(603986.SH)的股价涨幅依旧接近30倍,是一只不折不扣的科技大牛股。兆易创新最初主要从事NOR Flash和NAND Flash等存储器的设计与研发,近几年通过收购和参股等方式,相继切入MCU和生物识别传感器等领域,目前形成了'存储+控制+传感'的业务体系。笔者2018年就开始关注兆易创新,但当时因为感觉NOR Flash低端,NAND Flash又不太成熟,因此最终错过了。

说说兆易创新的闪存技术

重获新生的NOR Flash

在说NOR Flash之前先系统的梳理下Flash Memory也就是闪存这个东西。

相比DRAM(动态随机存取存储器,可以直观理解成内存条,停电后DRAM里的信息全部丢失),闪存中存储的内容不易丢失,这也是非易失性存储器的由来。相比传统硬盘存储器,闪存具有质量轻、能耗低、抗震能力好等特点,但也有需要先擦除再写入、块擦除次数有限等局限性。

闪存是上个世纪80年代由日本东芝工程师Fujio Masuoka发明,本人还获得1997年的IEEE奖励。1988年英特尔推出了最早的NOR Flash,两年后Fujio Masuoka的东家日本东芝推出了NAND Flash,NOR Flash和NAND Flash成为最主要的闪存类型。后来三菱和日立联合发明了Divided Bit-Line NOR Flash技术,按字节随机编程的速度略低于NOR Flash,但其块擦/写速度更快;美国AMD和日本富士通则联合研发出了Ultra NAND技术,在兼容NAND Flash特性同时还提高了可靠性。

作为最常见的两种闪存类型,NOR Flash(或非闪存器)和NAND Flash(与非闪存器)在读写速度、可靠性等方面有明显差异:

说说兆易创新的闪存技术

资料来源:公开资料整理,阿尔法经济研究

冯诺伊曼架构中CPU是不能直接访问硬盘中的内容,而是将需要访问的内容通过指令调到内存,再由内存与CPU交互并实现访问,也就是CPU和硬盘之间还有内存这个第三者,而NOR Flash因为支持Execute On Chip,程序可以直接在NOR Flash内执行,因此也就不需要与DRAM交互了。打个比喻是这样的:原来我们想吃饭先要把饭盛在碗里再吃,而现在是直接把锅端起来就吃,省了盛饭的时间,吃饭效率就快了很多。

NOR Flash根据与CPU端接口的不同可分为Parallel NOR Flash(并行接口)和Serial NOR Flash(串行接口)两类。Parallel NOR Flash的地址线、数据线直接和CPU相连,所存储的内容可以直接映射到CPU地址空间,不需要拷贝到DRAM等中即可被CPU访问。但是后来发现不同容量的NOR Flash在数据线和地址线数量不一致时很难兼容,并且封装尺寸较大,因此串行接口的NOR Flash成为主流,SPI成为最常见的接口:

说说兆易创新的闪存技术

资料来源:公开资料整理,阿尔法经济研究

从支持的最小访问单元来看,NOR Flash一般分为8位和16位,也有32位的,因为NOR Flash主要用于PC中的BIOS、机顶盒等,不需要太大的容量,主流的NOR Flash容量大多在32M-256M,比如兆易创新GD25B128E容量128M,频率133MHz。

NOR Flash的应用领域主要是PC中的BIOS、DVD、TV和机顶盒等需要存储少量数据、对存储空间要求不高的领域,因此不需要太高的容量,主流的NOR Flash容量大多在32M-256M,比如兆易创新GD25B128E容量128M,频率133MHz。在功能机时代由于手机存储空间普遍不大,因此NOR Flash红极一时,但是在智能手机时代NOR Flash无法满足消费者需求,其风头也被NAND Flash抢去,市场一度严重萎靡。中国产业信息网数据显示2006-2018年NOR Flash市场规模从70亿美元下降至25.96亿美元,原本在该领域具有领先地位的美光、Cypress等厂商相继退出中低容量市场,但巨头的退出反倒给兆易创新和台商华邦、旺红等中小厂商留下发展空间,兆易创新市占率从2017年的10.4%上升至2019Q3的18.2%,成为全球第三大NOR Flash厂商:

说说兆易创新的闪存技术

资料来源:公开资料整理,阿尔法经济研究

2019年NOR Flash市场重回增长,预计到2022年市场规模达到37.24亿元,主要驱动力来自物联网等新兴应用场景。

挣扎的NAND Flash

NAND Flash的数据被以位的方式存储在其存储单元,其存储单元分为四类:单层单元(SLC)、多层单元(MLC)、使用X3架构的TLC单元和QLC,四种单元的主要特点如下:

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资料来源:公开资料整理,阿尔法经济研究

NAND Flash在发展过程中出现了4种技术路线,但由于SLC较高的成本,该技术基本淘汰,目前MLC和TLC成为主流,QLC虽然成本更低、容量更大,但使用寿命最短,这也是东芝、美光等内存厂商急需解决的问题。

在应用端,NAND Flash主要用于手机和固态硬盘(SSD),合计占比超过90%,其他应用领域是游戏机、平板电脑和USB等。NAND Flash的市场规模从2016年的389亿美元增长至2019年的460亿美元,预计2020年随着5G手机出货量的增长和IDC强劲需求,NAND Flash将重回增长趋势,预计市场规模将达到570亿美元:

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资料来源:公开资料整理,阿尔法经济研究

在竞争格局上,美光等厂商退出NOR Flash市场后将方向转向NAND Flash市场,目前NAND Flash市场几乎被三星、海力士、凯侠(原东芝存储)、西部数据、美光和英特尔等瓜分,其中2019第四季度年三星NAND Flash市占率达到35.5%,是全球最大的NAND Flash和DRAM厂商(市占率45.8%),国内厂商还处于追赶阶段:

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资料来源:公开资料整理,阿尔法经济研究

在技术上自从3D NAND成为主流后各厂商推出的产品层数不断增加,比如2019年8月三星宣布实现第六代超过100层的3D NAND量产。国内厂商中2020年4月长江存储宣布128层QLC 3D NAND研发成功并在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。兆易创新NAND Flash产品分为3V和1.8V两大类,其容量有1G/2G/4G/8G等不同规格,但兆易创新的技术路线是成本较高的SLC,而当前SSD价格是不断走低的,因此兆易创新的NAND Flash在消费级市场可能竞争力不足,但在企业级高可靠性场景下的数据存储方面或许有一定优势。

随着2019年兆易创新将思立微并表,公司形成了'存储+控制+传感'的业务体系,可为下游物联网、汽车电子等客户提供更全的产品及解决方案,尤其是NOR Flash在物联网需求刺激下重回增长趋势,作为全球第三大NOR Flash厂商,兆易创新的发展具有想象空间。2019年公司营收达到32.02亿元,同比增长42.62%,归母净利润6.07亿元,同比增长49.85%

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