芯东西（公众号：aichip001）
编译 | ZeR0
编辑 | 漠影
编者注：本文作者汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长，曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作，2000年获得京都大学工学博士学位，之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作，曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业：日本制造业的败北》等著作。
本文是汤之上隆先生近日发表于eetimes.jp上的一篇长文，系统分析了在不稳定的供应链背景下，世界各地掀起的半导体投资热潮可能将伴随着潜在危机，以及DRAM和NAND出货额、出货量及价格变化如何影响存储器市场的发展走向。芯东西对此进行精编，全文要点如下：
过去一年，台积电、三星、台积电等全球芯片制造龙头接连宣布巨额投资计划。
台积电计划未来三年投资1000亿美元（折合6436亿人民币），三星电子未来三年计划投资240万亿韩元（折合1.3万亿人民币），不过半导体业务具体占比未知。英特尔宣布未来10年将在欧洲投资800亿欧元（折合5979亿人民币）。
各国也提供补贴来支持这些公司的资本投资。比如美国拟拨款520亿美元加强其本土半导体制造能力，欧盟17国签署万亿半导体计划，韩国建立“K-半导体战略”概念提供税收优惠等激励。
据日经新闻今年8月28日报道，2021年10家主要半导体厂商的资本投资总额将超过6800亿人民币。SEMI的一项调查显示，从2021年到2022年，已确认的半导体工厂开工数量将达到29家。
在汤之上隆看来，这种反常的资本投入和工厂林立的现象，就像是被“花衣魔笛手”操纵的老鼠，一步步走向悬崖，悬崖底部等待着的是半导体价格暴跌，以及接下来的半导体大萧条。
▲全球半导体产量增加和投资热潮正在世界各地进行
一、半导体产量大幅增长，谁引领了存储市场的快速扩张？
各大半导体厂商已投资逾6800亿人民币，29家工厂的建设已经开始，但这些工厂的半导体量产似乎最早要到2022年下半年，正常情况下要到2023年才能完成。
然而，有迹象表明，全球半导体产量已经开始大幅增加。如下图所示，全球半导体季度出货额和出货量在2018年Q3内存泡沫破灭时，分别达到2658亿美元和1249亿个的峰值。
▲季度全球半导体出货额和出货量（1991-2021 Q2）
之后因存储器市场不景气，出货额和出货量有所下滑，但在2020年Q2之后大幅回升。随后，2021年Q2出货额达2894亿美元，出货量1336亿个，创季度历史新高。这种势头在未来很可能会持续下去。
接下来，让我们看看半导体类型划分的季度出货量。2021年Q2，逻辑半导体为363亿美元，包括处理器和微控制器在内的Mos Micro为189亿美元，模拟半导体为178亿美元，均创下季度新高。
▲按类型划分的季度半导体出货量（1991-2021 Q2）
另一方面，包括DRAM和NAND闪存在内的半导体存储（Mos Memory）的出货额并未超过2018年Q3的峰值（441亿美元）。但从2020年Q4到2021年Q2出货量的急剧上涨，不免令人心生恐惧，因为这个斜率与2016-2018年Q3的内存泡沫相当。
话虽如此，存储器出货额不会无限增长，预计会在某个时刻供过于求，达到峰值，随后等待着他们的，则可能是存储器价格暴跌和随后的市场不景气。
那么，主导存储市场快速扩张的主角是DRAM、NAND，还是两者兼而有之？本文尝试进行这种分析。
二、DRAM出货量急剧上涨，今年Q2达历史新高
下图显示了DRAM季度出货额和出货量的变化。
▲DRAM季度出货额及出货量变化（~2021 Q2）
汤之上隆判断存储器市场的急剧增长由DRAM引起。这是因为，从2020年Q4到2021年Q2，DRAM的出货量开始呈现近乎垂直的趋势。这与下图中的存储器出货量非常相似。
▲按类型划分的季度半导体出货量（1991-2021 Q2）
那么DRAM出货量为何会飙升呢？从2010年到2018年前后，DRAM出货量一直保持在40亿个左右，但从2019年Q3左右开始大幅增加，2021年Q2达到55.3亿个的历史新高。
汤之上隆认为，造成这种情况的原因如下：2012年以来，DRAM厂商实际上集中在三星、SK海力士和美光科技三家公司，并通过暗中达成一致意见进行生产调整，保持出货量在一定水平。
不过，随着DRAM主战场从2019年下半年开始从移动端转移到服务器端，上述三大厂商放弃了暗中串通，重新展开竞争。结果，三家公司都增加了出货量，导致世界范围内DRAM出货量急剧上涨。除了这三大DRAM厂商的竞争之外，新冠肺炎疫情的影响也应涉及其中。
三、NAND出货量变化相对平稳，不是存储市场快速扩张主因
我们再来看看NAND季度出货额和出货量变化。自2000年以来，NAND出货量几乎呈线性增长，但这一增长到2016年后停止了。
汤之上隆认为，这是由于NAND从2D到3D的转变。在2D上，存储单元已经小型化，芯片尺寸也已经变得更小。因此，芯片进一步微缩后，1片晶圆上能获得的NAND数量也随之增加。
▲NAND出货价值和出货量变化（~2021 Q2）
但从2016年开始，NAND实现3D化。为了增加存储容量，3D NAND采用了存储单元垂直堆叠的方式，因而芯片尺寸基本不变。故汤之上隆认为自2016年NAND走向3D化，其出货量已趋于平稳。
NAND出货量在存储泡沫的2018年Q3达到约30亿个，但随后在2019年Q1下降至22亿个，又在2019年Q4恢复到30亿个。然后受新冠肺炎疫情影响，它在2020年Q2减少到约26亿个，之后开始稳步回升，在2021年Q2创下约33亿个的历史新高。
也就是说，在疫情爆发前后，DRAM出货量从大约40亿个上升到55亿个以上，而NAND出货量仅从30亿个上升到33亿个。因此，可以说存储器市场迅速崛起的主要源头是DRAM，而不是NAND。
四、DRAM现货价变化如何影响存储器市场？
从当前分析来看，DRAM出货量的增加与2020年Q4-2021年Q2存储器市场的急剧扩张有关。那么，这与DRAM价格的有多大关系呢？下面，我们来对DRAM的现货价和合约价进行分析。
首先，下图显示了2020年12月31日至2021年9月17日期间各种DRAM的现货价格。这里DDR是Double Data Rate的缩写，表示DRAM规格，DDR3的传输速率是DDR2的2倍，DDR4的传输速率是DDR3的2倍。
▲各种DRAM现货价格（2020年底-2021年9月17日）
从上图可以看出，DDR4 DRAM比DDR3更贵，同一DRAM规格时，集成度高的价格更高。
接下来，将2020年12月31日的DRAM价格标准化为“1”，观察各种DRAM价格的变化。到2021年3~4月，两种DDR3_2Gb DRAM价格上涨了2.4-2.5倍以上。其次价格上涨的两款DDR3_4G，涨幅在1.9~2倍以上，两款DDR4_4G紧随其后，涨幅在1.8~1.9倍。
▲标准化的各类DRAM现货价（2020年底-2021年9月17日）
另一方面，集成度最高的16G在3月份左右上涨了1.2倍左右，其次的两种DDR4_8G价格上涨了约1.4~1.5倍。简而言之，在DRAM现货价格中，传输速率低、集成度不高的传统DRAM价格一路高涨。从DRAM合约价的变化也可以看出这个趋势。
五、传统DRAM现货价和合约价都在上涨
下图显示了2020年9月至2021年8月各种DRAM的合约价变化。与现货价格类似，其价格按DDR2、DDR3、DDR4的顺序上涨，如果DDR相同，集成度越高，价格越高。
▲各种DRAM合约价（2020年9月-2021年8月）
接下来，我们将2020年12月的合约价标准化为“1”，并查看了各种DRAM价格的变化，结果显示价格从高到低依次是DDR3_2G、DDR2_512M、DDR2_1G、DDR3_1G，价格从高到低。另一方面，两款DRAM集成度最高的DDR4_8G的涨价幅度最低。
▲标准化的各种DRAM合约价（2020年底-2021年8月）
换句话说，无论是现货价还是合约价，传统DRAM价格都在上涨，而集成度高的DRAM价格并没有上涨那么多。为什么会发生这样的事情呢？
六、新冠肺炎疫情催化传统DRAM价格飙涨
也许价格大幅上涨的传统DRAM主要应用于家用电器产品等领域。新冠肺炎疫情迫使人们呆在家里。结果，为了在家里更舒适地生活，人们就在网购家电产品，这些家电产品不需要高传输速率、高集成度的DRAM，因此，市场上很少出现的传统DRAM价格飙涨。
▲标准化的各类DRAM现货价（2020年底至2021年9月17日）
这个推论可以从下面的事件中得到证实。首先，我们再来看看上面这张图，一直上涨的传统DRAM现货价格从7月左右开始下跌。此时全球都在推进新冠肺炎疫苗接种，封锁也被逐渐解除。
因此，对新冠肺炎疫情的需求可能曾经收敛。不过传统DRAM的合约价还在上涨，这一推论是否正确还有待验证。
下图显示了集成度不同的每月DRAM出货量。DRAM每隔3-4年就会被集成度最高的产品所取代。目前主流的DRAM是4G以上的8G或16G。
由于现货价和合约价涨幅较大的2G在2013年见顶，1G在2010年达到峰值，512M在2008年左右达到峰值，因此，市场上DRAM的绝对数量很少。稀有的DRAM因突发的新冠肺炎疫情而变得必要，所以价格上涨超2倍。
▲按集成度划分的DRAM月出货量（1991年1月-2021年6月）
七、DRAM出货额上涨背后，两大因素双重作用
再回到下图中从2020年Q4到2021年Q1 DRAM出货额的快速增长。其快速增长的第一个原因是DRAM出货量的增加。
▲DRAM季度出货额及出货量变化（1991-2021 Q2）
那么DRAM价格上涨的影响有多大？从下图中按集成度划分的DRAM出货量可以看出，目前生产的DRAM大部分是4G、8G和16G。
▲按集成度划分的DRAM月出货量（1991年1月-2021年6月）
由下图可见，高集成度DRAM（例如8G）的合约价上涨了1.44倍。
▲标准化的各种DRAM合约价（2020年底-2021年8月）
我们来算一下为什么DRAM出货量从2020年Q4到2021年Q2会快速增长。
▲2020年Q4至2021年Q2 DRAM出货量增长背后的因素
- DRAM出货额从149.86亿美元增至235.3亿美元（1.57倍）
- DRAM出货量从48.88亿个增加到55.29亿个（1.13倍）
- 主流的DDR4_8G合约价从2.85美元涨至4.1美元（1.44倍）
- （出货量系数 1.13）x（涨价系数 1.44）= 1.62
如上所述，DRAM出货量增长幅度（1.57倍）与出货量增长1.13倍、主流DRAM价格增长1.44倍的乘积值（1.62倍）大致相当。
因此，可以说这张图中DRAM出货额的增加是由出货量和价格上涨两方面因素共同造成的。一开始汤之上隆以为出货量的增加会带来更大影响，但后来发现价格上涨反而会带来更大的影响。
▲DRAM出货量季度出货量及数量变化（~2021 Q2）
八、NAND现货价走势难解
汤之上隆也对NAND进行了现货价和合约价的分析。首先，下图展示了2020年12月31日~2021年9月17日期间各种NAND的现货价走势。
▲各种NAND的现货价（2020年12月31日~ 2021年9月17日）
SLC是Single Level Cell, MLC是Multi Level Cell, TLC是Triple Level Cell，分别是可以在一个存储器单元中写入1位、2位、3位的NAND。另外3D TLC是3D NAND的意思，没有3D的NAND都是2D NAND。
继续看上面这张图，可以看到3D TLC 1T（1TB）是最高的，SLC 1G和SLC 2G是最便宜的，除此之外没有规律。
因此，与DRAM的情况相同，汤之上隆观察了2020年12月31日将价格标准化为“1”时各种NAND的价格变化。要解释下面这张图相当困难。首先，从整体上来说，没有哪一种NAND的价格像DRAM的现货价一样上涨2倍。价格最高的SLC_2G也只有1.2~1.27倍。
▲标准化的各种NAND的现货价（2020年末-2021年9月17日）
此外，MLC_128G和MLC_256G的价格几乎呈线性增长。SLC_16G价格从8月下旬开始突然猛涨。另一方面，SLC_8G自4月中旬以后，价格下降到“1”以下，持续下降到0.93。
那么，为何上述NAND会有这样的表现呢？这很难明确回答，比如SLC_2G和SLC_1G的价格相对较高。由于SLC的集成度不高，可以考虑汽车等要求高可靠性但不关注集成度的应用（虽然没有太多证据）。
九、NAND的现货价和合约价未大幅上涨
接下来，我们来看一下2020年12月~2021年8月期间各种NAND合约价的变化。价格最高的是SLC_32G，其次是SLC_16G，MLC_128G为第三。由此可见，NAND并不是集成度越高，价格越高。
▲各种NAND合约价（2020年12月-2021年8月）
如果集成度相同，均为32G，MLC价格约为3美元，而SLC达到4倍以上，为12.55美元。换言之，对于汽车和高性能计算机等可靠性要求严格的产品，可使用SLC而非MLC。
NAND厂商在开发TLC之后又开发了Quad Level Cell（4位单元）和Penta Level Cell（5位单元），但这些多位单元似乎不能用于所有终端产品。
汤之上隆们将2020年12月合约价标准化为“1”，观察各种NAND价格的变化。结果显示，所有NAND在2021年3月~4月期间价格上涨了1.06~1.1倍，6月~7月再涨了1.5~1.18倍。
▲标准化的各种NAND合约价（2020年末-2021年8月）
到2021年8月，MLC_32G、MLC_128G和 MLC_64G是价格涨幅最大的，然后是SLC_1G。诚然，SLC_1G属于现货价格涨幅较大的一类，但SLC_2G在8月中旬之前现货价涨幅最大，是合约价涨幅最小的类型。
综上所述，无论是NAND的现货价还是合约价，都没有像DRAM那样大幅上涨。此外，存储单元的大小、集成度与NAND价格之间的相关关系很难找到。顺便一提，目前生产的NAND中，集成度超过512G的NAND逐渐取代256G成为主流。
▲各集成度NAND每月出货量（1991年1月~ 2021年6月）
结语：存储器市场的急速扩张将持续到何时?
从各季度半导体出货量来看，2020年Q4至2021年Q2，存储器市场迅速扩张。其主要原因在于DRAM而非NAND。在DRAM方面，出货量创下季度历史新高，超过55亿个。同时，由于主力产品8G合约价上涨1.44倍，DRAM出货金额也增加了1.57倍，达到235.3亿美元。
另外，传统DRAM的现货价和合约价都上涨2倍以上。经分析，传统DRAM的绝对数量较少，且因新冠肺炎疫情盘踞，各种家电需求扩大，导致价格上涨。
DRAM市场以及存储器市场的迅速扩张将持续到何时？这可能取决于MPU。2016年英特尔10nm工艺“难产”，后来它又为14nm“续命”，为了提高MPU的性能，增加内核数量，因此增加了芯片面积，因而从1片晶圆可获取的芯片数量减少了。
▲每季度MPU、DRAM、NAND出货量
受此影响，2016年Q3全球MPU出货量为1.36亿个，到2019年Q1降至8800万个，减少了4800万个。由于全球MPU短缺，面向PC和服务器生产的DRAM和NAND充斥市场，致使价格暴跌，引发半导体大萧条。
MPU在2021年Q2的出货量为1.2亿个，虽然离2016年Q3的高峰期还有些不足，但出货量正在稳步增长。或许英特尔已确定量产10nm的目标，也有可能为AMD代工的台积电MPU产量提高。
无论如何，在MPU出货量增加的当下，存储器价格不太可能暴跌。但到2024年左右，当英特尔在美国亚利桑那州开设的新半导体工厂量产时，MPU可能会供过于求。
汤之上隆希望各半导体制造商正确地进行市场营销，冷静地、有计划地生产半导体，不要进行毫无意义的竞争。
来源：eetimes.jp
