半导体疯狂扩产面临隐忧！存储器涨势反转，或迎价格暴跌

　　编者注：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。
　　▲ 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。