內存芯片的瘋狂或將在2024年重演
糟糕的2023年已經過去，存儲芯片市場正在醞釀一場新的爆發。
據TrendForce統計，2023年第四季度，全球DRAM（內存）和NAND閃存的價格約上漲 3%~8%。相對於PC市場而言，服務器DRAM市場對增長起到更大作用。
2024年，隨著運算速度的提升，DRAM和NAND閃存在各類AI應用，如智能手機、服務器、筆電的單機平均搭載容量都會增長，其中，服務器應用的增長幅度最高。
智能手機方面，2023年，由於供過於求，存儲器價格快速下跌，由於價格很低，推升瞭2023年智能手機DRAM單機平均搭載容量年增17.5%。2024年，在沒有新應用推出的預期下，智能手機DRAM的單機平均搭載容量的增長幅度將放緩，預估為11%。
服務器方面，伴隨AI服務器需求持續增加，高端AI芯片陸續推出，由於訓練是目前AI市場主流，其采用的存儲器是以有助於高速運算的DRAM為主，與NAND閃存相比，DRAM的單機平均搭載容量增長幅度更高，預計年增17.3%。
筆電方面，預計搭載新款CPU的筆電要到下半年才會陸續推出，對拉高存儲器容量的幫助有限，另外，AI PC要求DRAM容量加大至16GB，預計筆電DRAM的單機平均搭載容量年增率約為12.4%。
01
AI服務器帶動DDR5和HBM加速前進
DDR5加速滲透
AI大模型持續迭代升級，參數持續增長，大模型的參數規模越大，算力負擔越重，而AI服務器是算力的核心。2023年，AI服務器（搭載GPU、FPGA、ASIC等高算力芯片）出貨量近120萬臺，年增38.4%，占整體服務器出貨量的9%，按照這個勢頭發展下去，2026年將占到15%的市場份額。
更多的大模型參數需要大容量、高速的內存支持，美光在法說會上表示，一臺AI服務器的DRAM使用量是普通服務器的6-8倍。到2026年，預計服務器DRAM（不含HBM）市場規模有望達到321億美元。
針對AI服務器的高性能要求，更強大的內存——DDR5需求隨之提升。與DDR4相比，DDR5具備更高速度、更大容量和更低能耗等特點。DDR5內存的最高傳輸速率達6.4Gbps，比DDR4高出一倍。
內存接口芯片是服務器內存模組的核心邏輯器件，作為服務器CPU存取內存數據的必由通路，其主要作用是提升內存數據訪問的速度和穩定性，滿足服務器CPU對內存模組日益增長的高性能和大容量需求。
隨著DDR內存技術向DDR5演進，內存接口芯片的用量也在增加。英特爾和AMD支持DDR5的新平臺推出後，服務器DDR5又出現瞭PMIC匹配問題，使得DDR5的市場規模不能快速提升，新平臺的推出受阻，目前，DRAM原廠和PMIC廠商都已著手解決該問題。雖然短期內原廠DDR5供應受阻，但由於PMIC供應廠商較多，切換及適配不會成為DDR5滲透率提升的瓶頸，服務器DDR5滲透率有望於今年達到30%左右。隨著AI服務器的加速發展以及PMIC良率問題逐步得到解決，DDR5滲透率有望進一步提升，2026年將達到85%。
存算一體落地之前，HBM將唱主角
目前，GPU主流內存方案為GDDR和HBM（高帶寬內存）兩種，其中，GDDR在SoC周圍有大量外設，該方案已經從GDDR5升級為GDDR6，以提高帶寬。但是，如果GDDR要增加1GB的帶寬，將會帶來更多功耗，不利於系統性能提升。
HBM方案作為近存計算的典型技術，可以改善存算分離導致的“存儲墻”問題，即存儲單元的帶寬問題、存儲單元與計算單元數據傳輸的能效問題，並且，HBM中Die裸片的垂直堆疊也增大瞭容量。因此，在存算一體真正落地之前，HBM技術是契合當前GPU對更多內存、更高帶寬需求的最佳方案。
HBM的特點是大容量、高帶寬（帶寬用於衡量DRAM傳輸數據的速率，是核心技術指標），它將多個DDR裸片堆疊在一起後和GPU封裝在一起，實現大容量、高位寬的DDR組合陣列。
2013年，SK海力士率先推出HBM1，HBM1每個堆棧的帶寬為128GB/s、支持4個DRAM堆棧集成，容量為每堆棧4GB。2017年，SK海力士推出瞭HBM2，它的帶寬和容量與HBM1相比實現翻倍增長。2018年，JEDEC推出瞭HBM2e規范，HBM2e可以實現每堆棧461GB/s的帶寬。SK海力士於2022上半年開始量產HBM3，帶寬達到819.2 GB/s，支持12個DRAM堆棧集成，容量達每堆棧24GB。2023年，主流市場需求從HBM2e轉向HBM3，HBM3需求占比提升至39%，隨著使用HBM3的加速芯片陸續放量，預計2024年HBM3的市場需求占比將達到60%。
2023年底，英偉達發佈瞭DGX GH200，進一步推升瞭AI服務器對內存性能的需求，DGX GH200共鏈接瞭256個Grace Hopper超級芯片，具有144TB的共享內存，GH200單卡配備瞭480GB LPDDR5內存和96GB的HBM顯存，而在上一代DGX H100服務器中，平均單個H100芯片對應256GB內存和80GB的HBM。二者對比，GH200方案的內存容量有顯著提升。
TrendForce認為，英偉達正在規劃更多HBM供應商，美光（Micron）、SK海力士、三星都已於2023年陸續提供瞭8hi（24GB）樣品，三星的HBM3（24GB）已經在2023年底完成驗證。三大內存原廠的HBM3e規劃和進度如下表所示。
由於HBM的驗證過程繁瑣，預計耗時兩個季度，以上三大內存原廠都預計於2024年第一季完成驗證。各原廠的HBM3e驗證結果，也將決定英偉達2024年HBM供應商的采購權重分配。
展望2024年，需要觀察各AI芯片供應商的項目進度。
英偉達2023年的高端AI芯片（采用HBM的）的既有產品為A100、A800和H100、H800，2024年，除瞭上述型號外，該公司還將推出使用6個HBM3e的H200和8個HBM3e的B100，並同步整合自傢基於Arm架構的 CPU，推出GH200和GB200。
2024年，AMD將重點出貨MI300系列，采用HBM3，下一代MI350將采用HBM3e，將在2024下半年開始進行HBM驗證，預計大規模量產時間將出現在2025年第一季度。
英特爾方面，2022下半年推出瞭Habana Gaudi 2，采用6個HBM2e，預計2024年新型號Gaudi 3將繼續采取HBM2e，但用量將升級至8個。
02
三大內存原廠的表現
不久前，SK海力士公佈瞭HBM發展路線圖，該公司副總裁Kim Chun-hwan透露，計劃在2024上半年量產HBM3e，並向客戶交付8層堆疊樣品，在6層堆棧HBM3e配置中，每層堆棧可提供1.2 TB/s的通信帶寬，8層堆疊將進一步提升HBM內存的帶寬。
Kim Chun-hwan表示，在不斷升級的客戶期望的推動下，存儲行業正在面臨激烈的生存競爭。隨著制程工藝節點的縮小接近極限，存儲器廠商越來越關註新一代存儲架構和工藝，以給客戶應用系統提供更高的性能。為此，SK海力士已經啟動瞭HBM4的開發，計劃於2025年提供樣品，並於次年量產。
根據美光提供的信息，與前幾代HBM相比，HBM4每層堆棧的理論峰值帶寬將超過1.5 TB/s。為瞭實現這樣的帶寬，在保持合理功耗的同時，HBM4的目標是實現大約6GT/s的數據傳輸速率。
三星也有發展HBM4的時間表，計劃於2025年提供樣品，並於2026年量產。據三星高管Jaejune Kim透露，該公司HBM產量的一半以上是定制化產品，未來，定制HBM方案的市場規模將進一步擴大。通過邏輯集成，量身定制的HBM對於滿足客戶個性化需求至關重要。
三星和SK海力士之間的競爭正在升溫。
一些市場觀察人士表示，三星在HBM芯片開發方面落後於SK海力士，為瞭在新接口標準CXL開發中占據優勢地位，三星加快瞭技術研發和產品佈局。
三星電子執行副總裁兼美國內存業務主管 Lee Jung-bae在一篇博客文章中表示，該公司將擴大32GB DDR5及1TB模塊產能，他表示：“我們將積極利用CXL內存模塊 (CMM) 等新型接口，這將有助於實現內存帶寬和容量可以根據運營需求無縫擴展。”
SK海力士也表示，計劃加大對高帶寬內存和DDR5芯片的投資，以適應人工智能市場的增長需求。“與2023年相比，2024年的資本支出將有所增加。……我們將最大限度地提升資金利用效率”，SK海力士副總裁兼首席財務官金宇賢表示：“在2023年投資金額的范圍內，我們根據產品優先順序調整瞭資本支出，2024年，我們將更多地關註轉換制程工藝，而不隻是增加產能。”
金宇賢表示，SK海力士將努力擴大第四代和第五代10nm級制程內存芯片的比例，到2024年底，這些新品將占據該公司DRAM產量的一半以上。不過，他表示，要達到2022年第四季度的產能水平，還需要相當長時間。
SK海力士對引領HBM市場充滿信心，預測未來5年的年均增長率將達到60%~80%。該公司DRAM營銷主管Park Myung-soo表示：“我們2024年的HBM3和HBM3e芯片產能已經售罄。根據客戶和市場觀察人士的說法，我們的HBM3產能份額非常高。”
據TrendForce統計，2023年第三季度，SK海力士擠下三星電子，成為全球最大的服務器DRAM廠商。報告顯示，2023年第三季度，SK海力士服務器DRAM銷售額達到18.5億美元，拿下49.6%的市場份額，穩居全球龍頭寶座，排名第二的三星電子，在該季度的服務器DRAM銷售額為13.13億美元，市占率為35.2%，同期內，美光的服務器DRAM銷售額為5.6億美元，市占率為15.0%，排名第三。
需要指出是，以上統計數字僅是傳統服務器搭載的DDR5內存，不包括用於AI服務器的HBM，若將HBM銷售計算在內，SK海力士領先三星電子的幅度會更大。
2024年1月24日，SK海力士發佈瞭FY2023財報，營收為32.77萬億韓元，同比下降27%。單看FY2023Q4表現，營收為11.31萬億韓元，同比增長47%，環比增長25%。DRAM業務Q4營收7.35萬億韓元，同比增長49.15%，環比增長20.98%。該公司在FY2023年Q4扭虧為盈，業績開始全面反彈。SK海力士表示，自FY2023年Q4開始，該公司用於AI服務器和移動端的產品需求都在增長，平均售價上升，存儲器市場環境有所改善。整個FY2023，該公司的DRAM憑借技術實力積極響應瞭客戶需求，主力產品DDR5和HBM3的收入同比分別增長4倍和5倍。
就整體DRAM模塊市場而言，三星電子仍穩居DRAM霸主地位，但SK海力士正在急起直追。據Omdia統計，2023年第三季度，三星電子在DRAM領域市占率為39.4%，SK海力士以35%的市占率居次位，美光排名第三，市占率為21.5%。
排名內存行業第三位的美光也在加緊佈局AI服務器市場，該公司計劃在2024年第一季度量產HBM3e，以搶攻英偉達的超級計算機DGX GH200商機。美光技術開發事業部資深副總裁Naga Chandrasekaran表示，采用EUV技術量產的1-gamma制程產品，正在研發過程中，預計於2025年量產。
業界人士指出，在HBM產品開發方面，雖然美光落後三星和SK海力士近一年時間，但在新一代HBM3e產品開發和量產進度方面，該公司加快瞭節奏，有望在HBM競賽中扳回一城。
03
結語
通過分析全球芯片市場不同細分領域的年度銷售數據，包括存儲器、微處理器、邏輯電路、模擬電路、分立器件和光電子器件，結合不同領域年度銷售額同比增速的趨勢，按照一輪周期中同比增速的最小值為周期底部、同比增速的最大值為周期頂部，可以得出以下結論：2002年、2008年、2011年、2015年、2019年、2023年是半導體行業周期底部，2004年、2010年、2014年、2017年、2021年是周期頂部。全球半導體市場大約每隔4~5年經歷一輪周期，不同細分領域周期底部時間點略有差別。
在上述所有半導體細分領域中，存儲器周期波動最大，在上行周期的頂部，2010年、2017年存儲器銷售額同比增長分別為55%、61%，在下行周期的底部，2002年、2019年存儲器銷售額同比下降瞭30%、33%。據WSTS統計，2022年全球半導體銷售額為5741億美元，其中，存儲器銷售額為1298億美元，占全球半導體銷售總額的22.6%，在過去20年內，存儲器長期占半導體銷售總額比重的20%以上。因此，存儲器是集成電路中銷售額最大的細分領域，在整個產業中占據核心地位，存儲器市場變化周期是影響半導體周期的主要因素。
DRAM的上一輪周期在2017年12月左右見頂，在2019年12月觸底，下行周期持續時間在兩年時間，隨後經歷瞭一年半左右的上行周期，上一輪周期持續瞭3-4年。本輪DRAM周期在2021年4月左右見頂，在2023年9月觸底，10月價格反彈。本輪下行周期持續時間已達兩年半，新一輪的DRAM上行周期已經開始。
或許在2024和2025年，內存市場有望掀起新一波需求熱潮，重現2017和2018年輝煌的市場景象。