一、储存器发展历史
储存器用于计算机系统中的程序存放和数据记录，具体包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终云心给结果。其根据控制器制定的位置存入和取出信息，进而辅助计算机实现工作功能。
储存器跟随着电子元器件制造技术的发展而发展，其容量和体积的变化呈现指数变化，经历了数百年的发展，到现代已经将性能提升了千万倍。历数其发展过程中的主要产品有：
图表1.储存器的发展史
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名称
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年代
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特点
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备注
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打孔卡
打孔带
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1725
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用于控制纺织机进行图案织造。1846年用于发送电报，1809年用于制表机
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消失在20世纪80年代。
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磁带
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1928
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磁力线是随音频电流的变化而变化的，每段磁带在移动过程中被磁化的程度也随音频信号电流的强弱而变化，就能把声音记录的磁带上。其是所有储存器设备发展中单位储存信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用储存介质之一。
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磁性储存时代的开始。用于计算机则始于1951年。
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磁鼓内存
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1932
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在磁芯存储器出现之前广泛用于计算机内存。同时也用于做二级存储，被认为是硬盘驱动器（HDD）的前身。
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硬盘驱动的前身，其于1953年被用于IBM701设备上。
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SELECTRON管
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1946
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1946年Jan A. Rajchman团队发明的静电记忆管Selectron Tube是最早的随机存取数字存储器（RAM），使用静电荷存储数据在真空管内。它能够短暂存储大约4000字节。1947年Freddie Williams和Tom Kilburn发明了类似原理的威廉姆斯-基尔伯恩管（Williams–Kilburn tube）并商用。
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IBM的第一台商用科学计算机701就使用了72个该管做内存。后来磁芯存储器出现取代了这种存储器。
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延迟线存储器
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二战期间
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一种顺序存取的内存形式，延迟线存储器是一种可以重刷新(refreshable)的存储器，是早期的一种内存形式，但是与现代的随机存取存储器（RAM）不同的是，延迟线存储器的工作方式为顺序存取。
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磁芯存储器
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1947
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磁芯存储器原理是磁芯根据磁化时电流的方向可以产生两个相反方向的磁化，这就可以作为0和1的状态来记录数据。Jay Forrester完善了磁芯存储技术，推出第一个可靠的计算机高速随机存取存储器。磁芯存储器在20世纪70年代被广泛用作计算机的主存储器，直到Intel的半导体DRAM内存批量生产。最初的磁芯存储器只有几百个字节的容量。
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随机存取存储器（RAM）的早期版本
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硬盘驱动器
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1956
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世界上第一个硬盘驱动器出现在了IBM的RAMAC 305计算机（第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器）中。该驱动器约有两个冰箱大小，重达一吨，包含50个24英寸盘片，能存储5M的信息，数据传输速度10K/S。
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磁盘存储时代开始，主要有IBM推动。
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只读式光盘存储器（CD-ROM）
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1956
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1965年美国物理学家Russell发明了第一个数字-光学记录和回放系统，1966年提交了专利申请。
1982年，索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101。
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光盘开始普及。
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动态随机存取存储器DRAM
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1966
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1966年IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了（动态随机存取存储器）DRAM，1968年申请了专利。
1969年，Advanced Memory System公司生产了第一款DRAM芯片，容量仅为1KB。
1970年，Intel公司推出Intel 1103，这是第一个商用DRAM芯片。
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DRAM仍是最常用的随机存取器(RAM)，作为个人电脑和工作站中内存（即主存储器）。DRAM内存能够问世，主要是基于半导体晶体管和集成电路技术。
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软盘
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1968
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1968年IBM的Alan Shugart领导的小组开发了只读的8英寸软盘（只能存储79.5KB的数据），1972年Alan Shugart帮助Memorex公司推出了第一款可读/写的软盘Memorex 650（175KB）。 1976年，5.25英寸软盘问世，1980年，索尼开发了3.5英寸软盘（1.44MB），并成为市场标准。
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从 1971年直到 20世纪 90年代的近三十年内，软盘一直被用于存储和交换数据。
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数字音频磁带
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1987
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1987年索尼公司推出了第一款DAT磁带。DAT（也称R-DAT）外观上类似于小型盒式磁带，使用3.81 mm / 0.15“（通常称为4 mm）磁性胶带封装在保护壳中，所以也叫也叫4mm磁带机技术。这种技术以螺旋扫描记录（Helical Scan Recording）为基础，将数据转化为数字后再存储下来。
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早期的DAT技术主要应用于声音的记录，后来随着这种技术的不断完善，又被应用在数据存储领域里。
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数字多用途光盘 DVD
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1995
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DVD原是 Digital Video Disc(数字视频光盘)的首字母缩略，1995年IBM牵头将高容量光盘标准统一合并成为DVD，重新定义为Digital Versatile Disc(数字多用途光盘)。
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SD卡
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1999
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1999年8月日本松下、东芝和美国SanDisk公司共同研制了SD卡。SD卡是基于MultiMedia卡（MMC卡，1997年）发展而来。
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数据来源：网络公开资料
二、储存器分类
存储器大体分为两大类，一类是掉电后存储信息就会丢失，另一类是掉电后存储信息依然保留，前者专业术语称之为“易失性存储器”，后者称之为“非易失性存储器”。
图表2.现代常见储存器分类
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易失性存储器的代表就是RAM(随机存储器)，RAM又分SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。他们之间不同在于生产工艺的不同，SRAM保存数据是靠晶体管锁存的，DRAM保存数据靠电容充电来维持。SRAM的工艺复杂，生产成本高，所以贵，但SRAM速度较快。而DRAM容量比较大，因此反而较为通用。而因为DRAM和SRAM都是异步通信的，速率没有SDRAM和SSRAM快。所以现在大容量RAM存储器是选用SDRAM的，从而又延伸出了DDR2及后续的DDR3、DDR4版本。
非易失性存储器常见的有ROM，FLASH，光盘，软盘，机械硬盘。他们作用相同，只是实现工艺不一样。
ROM分为MASK ROM、OTPROM、EPROM、EEPROM。MASK ROM是掩膜ROM这种ROM是一旦厂家生产出来，使用者无法再更改里面的数据。 OTPROM(One Time Programable ROM)一次可变成存储器，出厂后用户只能写一次数据，然后再也不能修改了，一般做存储密钥。EPROM (Easerable Programable ROM)这种存储器就可以多次擦除然后多次写入了。但是要在特定环境紫外线下擦除，所以这种存储器也不方便写入。EEPROM(Eelectrically Easerable Programable ROM)电可擦除ROM，现在使用的比较多因为只要有电就可擦除数据，就可以写入数据。
图表3. Norflash、Nandflash性能对比
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FLASH是一种可以写入和读取的存储器，叫闪存。FLASH和EEPROM相比，FLASH的存储容量大。FLASH的速度比现在的机械硬盘速度快，现在的U盘和SSD固态硬盘都是Nandflash。FLASH又分为Norflash和Nandflash。其特性对比见图表3.
三、储存器产业发展现状
(一)储存器主流技术
目前DRAM和Flash由于各自的使用优势脱颖而出，占据了较大的市场份额。DRAM及NAND Flash在特性与成本上具有互补性，前者每秒传输频宽大、单位成本较高且消耗功率较大;后者传输速度慢、每单位成本较低且消耗功率低，因此两者在市场与功能上有区隔性，也构成目前存储产品两大阵营，因应物联网、大数据与云端等资料爆发性成长世代来临，存储不管是独立或嵌入式，都将是系统架构的关键元件。
DRAM目前以PC/NB与行动应用为主，但在支援虚拟化、绘图及其他复杂、即时工作应用上也将逐年增加。DRAM从80年代前全球超过20家公司制造，目前只剩三星(Samsung)、SK海力士(SK Hynix)与美光(Micron)等三家寡占市场，应用种类从主要PC类扩及消费性电子(如iPod)、手机、平板电脑、穿戴装置，智能汽车、无人驾驶车对DRAM的需求也愈来愈高。
Flash存储的架构和ROM可分为并联式(NOR)跟串联式( NAND )，并联式快闪存储(NOR-Flash)常见于主机板BIOS，串联式快闪存储(NAND-Flash)常见于一般消费性电子产品，如手机、随身碟、SSD等，NAND Flash随着制程技术不断进化、单位容量成本不断下降，已在智能手机、嵌入式装置与工控应用大量普及，近年来应用于大数据资料储存及愈来愈多笔记型电脑的固态硬碟需求增加，由NAND-Flash所制成的SSD有逐渐取代一般硬碟的趋势。主要厂商为三星、东芝与SK海力士等。
预计至2020年时，全球存储市场规模为795.1亿美元，其中DRAM占38.9%、NAND Flash占55.1%、下世代存储的占比则跃升为2.0%。而依据全球知名调研分析及战略咨询公司Yole Développement预测，未来DRAM和NAND的市场爆发从交通工具领域突破。而在传感、手机、PC等方面则稳步上升。
图表4.DRAM和NAND容量和价格波动图
数据来源：网络公开资料
随着移动设备、物联网应用的兴起，对于节能的资料储存与存储技术需求日益增加。目前的存储技术以DRAM与NAND 快闪存储为主流，但DRAM的读写速度快无法长时间储存资料;NAND Flash能保存资料，但读写速度不佳。
同时兼具运算、储存能力的下世代存储，如磁阻式存储(MRAM)、电阻式存储(RRAM)、3D XPoint技术与高潜力的自旋电子磁性存储(STT-MRAM)等，就成为下世代存储技术的新宠儿。
(二)储存器行业现状
(1)DRAM
DRAM市场上主要由三星、海力士和美光三大巨头垄断，占比达到 90%以上。其他诸如Nanya、Winbond、Powerchip等占据不到10%的份额。而中国本土参与者则有：紫光集团、中芯国际、华力微电子、福建晋华、联华电子、长鑫储存、合肥晶合、武汉新芯，占据1%份额。
图表5.DRAM市场份额
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(1)NAND
NAND市场主要由三星、东芝、韦斯特、美光、海力士、英特尔主导，占据市场的99%份额。国内仅有紫光国芯、武汉新芯、中芯国际、长江储存等少数厂家自2015年之后开始NAND产线建设及市场推广，其产品性能还无法与外资产品竞争。
图表6.NAND市场份额
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虽然从现有市场体量和增速来看，DRAM较NAND有较大的优势，但两个领域的领导者之一的美光认为从2017年至2021年期间，市场对DRAM Bit需求量的年复合增长率大约20%，其中移动和服务器市场需求是主要推动力;对NAND Flash Bit需求量的年复合增长40%-45%，其中SSD是最大推动力，其次是移动市场需求，如手机、无人汽车、智能穿戴都将是潜在的市场。
图表7.DRAM和NAND年市场规模和增长率
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(二)储存器具体产品分析
(1)DRAM产品发展路径
DRAM中，又可以根据技术规格的不同可以分为DDR系列、GPDDR系列、LPDDR系列等类别。其中DDR系列为普通DRAM，GPDDR全称图形用双倍数据传输率存储器(GraphicsDoubleDataRate)，是一种高性能显卡使用的同步动态随机存取存储器，专为高带宽需求计算机应用所设计。LPDDR指的是低功耗双倍数据传输率存储器(LowPowerDoubleDataRateSDRAM)，主要用于便携设备。
图表8.DRAM产品发展路径图
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目前DDR和DDR2已经基本退出市场，而以DDR3、DDR4以及LPDDR系列为主。
DDR3属于SDRAM家族的内存产品，提供了相较于DDR2更高的运行效能与更低的电压，是DDR2的后继者(增加至八倍)，也是现时流行的内存产品规格。
DDR4内存是目前市场上新锐的DDR系列内存规格，第一条DDR4内存是在2014年由三星研制成功。DDR4相比DDR3最大的区别有三点：16bit预取机制(DDR3为8bit)，同样内核频率下理论速度是DDR3的两倍;更可靠的传输规范，数据可靠性进一步提升;工作电压降为1.2V，更节能。
2018年10月，Cadence和镁光公布了自己的DDR5内存研发进度，两家厂商已经开始研发16GBDDR5产品，并计划在2019年底实现量产目标。DDR5的主要特性是芯片容量，而不仅仅是更高的性能和更低的功耗。
(1)DRAM市场供需分析
2018年下半年开始DRAM价格进入下行周期。通过供需分析，认为DRAM供给当前处于由于技术节点进步放缓造成的低增长平台期，同时需求在5G、AI、大数据等应用拉动下会维持较高增速。预计DRAM市场在2019年消化库存，并在2020年前后重新达到供需平衡。
图表9.DRAM-DXI价格指数曲线
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从供给端看，DRAM供给增速处于整体放缓的趋势。DRAM位元供给的增长来源以工艺进步带来的密度提升为主，以产能扩张带来的投片量提升为辅。但是近年来DRAM在进入20nm制程以后，制程提升开始遇到瓶颈，主流厂商出于成本和研发难度的考虑，对1Xnm及以下制程的开发应用比较谨慎。目前三星、镁光、海力士正在从20nm向18nm艰难挺进，台湾厂商除南亚科外仍主要采用38nm制程。制程推进放缓和存储密度增速降低直接导致DRAM综合位元供给增速下降。
2020年后5G和AI的普及和应用将成为拉动半导体需求的重要力量，同时下一代DRAM制程也将开始普及，整个DRAM市场供需关系会更加复杂，但规模总体向上的趋势是确定的。
(1)NAND产品发展路径
图表10.不同类型NAND性能对比
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NAND闪存有三种主要类型：单层单元(SLC)、多层单元(MLC)和三层单元(TLC)。在相同的单位面积上，TLC闪存比MLC存储的数据更多，而MLC又比SLC存储的数据多。另一种新型的NAND闪存称为3D NAND或V-NAND(垂直NAND)。通过在同一晶圆上垂直堆叠多层存储单元，这种类型的闪存可以获得更大的密度。
为了提高存储密度，制造商开发了3D NAND或V-NAND(垂直NAND)技术，它可将Z平面中的存储单元堆叠在同一晶圆上。以这种方式构建存储单元有助于在相同的裸片面积上实现更高的存储密度。在3D NAND闪存中，存储单元是作为竖直串连接的，而不是2D NAND中的水平串。
第一批3D闪存产品有24层。随着这一技术的进步，已经可以制造出32、48、64甚至96层的3D闪存。其优势在于同一区域中的存储单元数量明显增加。这也使存储器制造商能够使用更大的光刻工艺来制造更可靠的闪存芯片。
(1)NAND市场供需分析
2018年因供过于求难以遏制，韩系供应商带头降低资本支出。NAND Flash总体资本支出下调近10%，但供需失衡的情形仍无法逆转。2019年美系厂商减少资本支出，使得NAND Flash整体资本支出较2018年持续下滑约2%，总支出规模约为220亿美元。
受到供应商扩产计划调整的影响，尽管各供应商已于2018年第四季起量产92/96层3D NAND，但直至2019年底将仅占约32%的位元产出，而64/72层的产出占比则超过50%。供应商制程推进的放缓将导致2019年NAND Flash位元成长仅约38%，相比2018年逾45%的水平明显下降。
图表11.NAND价格走势
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从2019年NAND Flash价格走势来看，DRAMeXchange指出，由于原厂在各产品线的合约价报价跌幅皆明显高于预期，显示原厂正面临庞大的库存压力。因此，NAND Flash 2019年第一季市场均价季度跌幅度可能从原先估计的10%，一举提高至20%水平，第二季报价可能将续跌将近15%。下半年有旺季需求，跌幅可望略微收敛，但各季价格跌幅仍将维持在10%左右水平，还要看原厂是否能再进一步降低自身产出水位。
DRAMeXchange认为，旺季若仍无足够需求动能支撑，NAND Flash市场均价跌幅则可能扩大至50%水平，近乎腰斩。
(5)NAND封装产品对比
NAND作为储存单元，提供了强大的闪存能力，但其还需要通过配置主控完成外部连接功能，因此延伸出SD、TF、MMC、eMMC等多种封装形式，适用于不同场景中，具体区别见下表：
图表12.NAND具体产品性能区别表
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名称
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功能
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特性
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示例图
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MMC
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非易失性存储器件，体积小巧，容量大，耗电量低，传输速度快。
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MMC共有7个pin,分为两种模式，分别为MMC模式和SPI模式，最大传输速率为2.5MHz
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SD
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在MMC基础上发展起来的，增加了两个主要特色:
可以设置所存储的使用权限，防止数据被他人复制；第二是传输速度比2.11版mmc卡快。
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可选通信协议：SD模式和SPI模式；
数据寿命：10万次编程/擦除；
正向兼容MMC卡；
最大传输速率是12.5MHz；
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TF
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又称micro SD，是采用SanDisk最新的NAND MLC技术以及控制器技术。
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8bin
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eMMc
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为MMC协会所订立的、主要是针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC的一个明显优势是在封装中集成了一个控制器，它提供标准接口并管理内存，使得是手机厂商就能专注于产品开发的其他部分，并缩短向市场推出产品的时间，
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UFS
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新一代手机串口协议，从UFS2.0开始，传输速度大大高于eMMc。
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其中作为目前市场关注流量较多的手机用eMMc模块而言，2018年eMMC价格最高跌幅超过50%，eMCP价格跌幅超过30%。到2018年底eMMC 8GB和16GB价格已基本持平，而在2017年两者的差价还在2美金以上。eMMC 8GB和16GB同价代表终端制造商可以用同等的价格采购更大容量的eMMC，有助推动智能电视、OTT盒子、智能穿戴、智能音箱等智能产品搭载更大的容量，提高用户的产品体验度。
(6)其他非易失性储存器发展情况
随着嵌入式存储产品发展，UFS 3.0单通道理论带宽提升到11.6Gbps，传输速度是UFS 2.1的2倍，双通道最高达23.2Gbps，若在四通道配置下，理论带宽将高达46.4Gbps，超过PCIe SSD的速度。此外，UFS 3.0温度从-25℃至85℃扩展为- 40℃至105℃，并针对高温下电子流失，增加了数据刷新操作，通过重写数据延长高温下数据保存时间，还增加了温度提醒、报警功能，以符合汽车、监控、工业等领域对宽温的要求。
而在SSD领域，2018年全球SSD的出货量达到2.05亿台，相较于2017年增长31%。其中企业级市场SSD出货量达到2900万台，消费类SSD市场出货量达1.76亿台，价格下滑正刺激市场需求持续增长。2018年一线大厂对PC台式机趋向于SSD+HDD混搭配置提高性能，笔记本对SSD搭载率更高，且PCIe SSD比重持续增加，再加上主控厂Marvell、慧荣、群联SSD控制芯片全面支持PCIe，得一微、联芸、点序、矽统等也加强对PCIe的支持，预计2019上半年SSD品牌厂建兴、金士顿、江波龙、影驰等都将以PCIe SSD为市场主打产品，加快PCIe SSD成为市场的主角。
SSD 主要作用是取代 PC/服务器 上的 HDD 硬盘，而 eMMC 和 UFS主要都是针对移动设备发明的。SSD，为了达到高并行高性能的要求，有多个Flash 芯片，这样就可以在每个芯片上进行相互独立的读写操作，以并行性来提高硬盘吞吐量，还可以增加冗余备份。而手机中为了节省空间和功耗，通常只有一片密度较高的 Flash 芯片。
eMMC 和 UFS 都是面向移动端 Flash 的标准，区别在于，二者的接口技术大相径庭。eMMC 和 MMC一样，沿用了 8 bit 的并行接口。在传输速率不高的时代，这个接口够用了。但随着设备对接口的带宽要求越来越高，想把并行接口速率提高也越来越难。eMMC 的最新 5.1标准理论最高值最高可以达到400 MB/s。所以这个时候 UFS 应运而生，用高速串行接口取代了并行接口，而且还是全双工的，也就是可以读写同时进行。所以相比 eMMC， UFS的理论性能提高不少，甚至可以达到一些SSD的水准。
图表13.eMMC和UFS传输速度发展对比
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总结
储存器作为现代计算机体系的重要部分已经成为工业强国争夺未来智能社会的武器。DRAM和NAND则是储存器目前发展中主流的技术趋势。随着移动端技术的发展，DRAM将维持供需平衡的局面。而NAND则具有极大的市场增长空间，其中不同技术路径、不同传输协议串口的NAND则成为各国企业发展的重点。就目前而言，eMMc属于NAND中的传统器件，而UFS则将成为新贵，SSD则是取代机械硬盘的唯一选择。
目前储存器通常由韩系和美系的前5大巨头垄断技术和绝大部分市场，但我国政府推行的半导体产业基金目前正在突破和追赶外资发展势头，未来10年将成为国产储存器发展的黄金期。
(银川滨河新区投资发展(集团)有限公司 投资发展部)
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