半导体疯狂扩产面临隐忧:存储器涨势反转 或迎价格暴跌

本文作者汤之上隆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。

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▲ 全球半导体产量增加和投资热潮正在世界各地进行

本文是汤之上隆近日发表于 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。

01. 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。

02. 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。

03. 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。

04. 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。

05. 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?

06. 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)

07. 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)

08. 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)。

09. 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)

10. 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。

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