半導體瘋狂擴產面臨隱憂：存儲器漲勢反轉或迎價格暴跌

本文作者湯之上隆為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本製造業的生產第一線從事半導體研發工作，2000
年獲得京都大學工學博士學位，之後一直從事和半導體行業有關的教學、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導體”的失敗》、《“電機、半導體”潰敗的教訓》、《失去的製造業：日本製造業的敗北》等著作。

▲ 全球半導體產量增加和投資熱潮正在世界各地進行

本文是湯之上隆近日發表於 eetimes.jp 上的一篇長文，系統分析了在不穩定的供應鏈背景下，世界各地掀起的半導體投資熱潮可能將伴隨着潛在危機，以及 DRAM 和 NAND 出貨額、出貨量及價格變化如何影響存儲器市場的發展走向。芯東西對此進行精編，全文要點如下：

過去一年，台積電、三星、台積電等全球芯片製造龍頭接連宣布巨額投資計劃。

台積電計劃未來三年投資 1000 億美元（摺合 6436 億人民幣），三星電子未來三年計劃投資 240 萬億韓元（摺合 1.3 萬億人民幣），不過半導體業務具體佔比未知。英特爾宣布未來 10 年將在歐洲投資 800 億歐元（摺合 5979 億人民幣）。

各國也提供補貼來支持這些公司的資本投資。比如美國擬撥款 520 億美元加強其本土半導體製造能力，歐盟 17 國簽署萬億半導體計劃，韓國建立“K-半導體戰略”概念提供稅收優惠等激勵。

據日經新聞今年 8 月 28 日報道，2021 年 10 家主要半導體廠商的資本投資總額將超過 6800 億人民幣。SEMI 的一項調查顯示，從 2021 年到 2022 年，已確認的半導體工廠開工數量將達到 29 家。

在湯之上隆看來，這種反常的資本投入和工廠林立的現象，就像是被“花衣魔笛手”操縱的老鼠，一步步走向懸崖，懸崖底部等待着的是半導體價格暴跌，以及接下來的半導體大蕭條。

01. 半導體產量大幅增長，誰引領了存儲市場的快速擴張？

各大半導體廠商已投資逾 6800 億人民幣，29 家工廠的建設已經開始，但這些工廠的半導體量產似乎最早要到 2022 年下半年，正常情況下要到 2023 年才能完成。

然而，有跡象表明，全球半導體產量已經開始大幅增加。如下圖所示，全球半導體季度出貨額和出貨量在 2018 年 Q3 內存泡沫破滅時，分別達到 2658 億美元和 1249 億個的峰值。

▲ 季度全球半導體出貨額和出貨量（1991-2021 Q2）

之後因存儲器市場不景氣，出貨額和出貨量有所下滑，但在 2020 年 Q2 之後大幅回升。隨後，2021 年 Q2 出貨額達 2894 億美元，出貨量 1336 億個，創季度歷史新高。這種勢頭在未來很可能會持續下去。

接下來，讓我們看看半導體類型劃分的季度出貨量。2021 年 Q2，邏輯半導體為 363 億美元，包括處理器和微控制器在內的 Mos Micro 為 189 億美元，模擬半導體為 178 億美元，均創下季度新高。

▲ 按類型劃分的季度半導體出貨量（1991-2021 Q2）

另一方面，包括 DRAM 和 NAND 閃存在內的半導體存儲（Mos Memory）的出貨額並未超過 2018 年 Q3 的峰值（441 億美元）。但從 2020 年 Q4 到 2021 年 Q2 出貨量的急劇上漲，不免令人心生恐懼，因為這個斜率與 2016-2018 年 Q3 的內存泡沫相當。

話雖如此，存儲器出貨額不會無限增長，預計會在某個時刻供過於求，達到峰值，隨後等待着他們的，則可能是存儲器價格暴跌和隨後的市場不景氣。

那麼，主導存儲市場快速擴張的主角是 DRAM、NAND，還是兩者兼而有之？本文嘗試進行這種分析。

02. DRAM 出貨量急劇上漲，今年 Q2 達歷史新高

下圖顯示了 DRAM 季度出貨額和出貨量的變化。

▲ DRAM 季度出貨額及出貨量變化（~2021 Q2）

湯之上隆判斷存儲器市場的急劇增長由 DRAM 引起。這是因為，從 2020 年 Q4 到 2021 年 Q2，DRAM 的出貨量開始呈現近乎垂直的趨勢。這與下圖中的存儲器出貨量非常相似。

▲ 按類型劃分的季度半導體出貨量（1991-2021 Q2）

那麼 DRAM 出貨量為何會飆升呢？從 2010 年到 2018 年前後，DRAM 出貨量一直保持在 40 億個左右，但從 2019 年 Q3 左右開始大幅增加，2021 年 Q2 達到 55.3 億個的歷史新高。

湯之上隆認為，造成這種情況的原因如下：2012 年以來，DRAM 廠商實際上集中在三星、SK 海力士和美光科技三家公司，並通過暗中達成一致意見進行生產調整，保持出貨量在一定水平。

不過，隨着 DRAM 主戰場從 2019 年下半年開始從移動端轉移到服務器端，上述三大廠商放棄了暗中串通，重新展開競爭。結果，三家公司都增加了出貨量，導致世界範圍內 DRAM 出貨量急劇上漲。除了這三大 DRAM 廠商的競爭之外，新冠肺炎疫情的影響也應涉及其中。

03. NAND 出貨量變化相對平穩，不是存儲市場快速擴張主因

我們再來看看 NAND 季度出貨額和出貨量變化。自 2000 年以來，NAND 出貨量幾乎呈線性增長，但這一增長到 2016 年後停止了。

湯之上隆認為，這是由於 NAND 從 2D 到 3D 的轉變。在 2D 上，存儲單元已經小型化，芯片尺寸也已經變得更小。因此，芯片進一步微縮后，1 片晶圓上能獲得的 NAND 數量也隨之增加。

▲ NAND 出貨價值和出貨量變化（~2021 Q2）

但從 2016 年開始，NAND 實現 3D 化。為了增加存儲容量，3D NAND 採用了存儲單元垂直堆疊的方式，因而芯片尺寸基本不變。故湯之上隆認為自 2016 年 NAND 走向 3D 化，其出貨量已趨於平穩。

NAND 出貨量在存儲泡沫的 2018 年 Q3 達到約 30 億個，但隨後在 2019 年 Q1 下降至 22 億個，又在 2019 年 Q4 恢復到 30 億個。然後受新冠肺炎疫情影響，它在 2020 年 Q2 減少到約 26 億個，之後開始穩步回升，在 2021 年 Q2 創下約 33 億個的歷史新高。

也就是說，在疫情爆發前後，DRAM 出貨量從大約 40 億個上升到 55 億個以上，而 NAND 出貨量僅從 30 億個上升到 33 億個。因此，可以說存儲器市場迅速崛起的主要源頭是 DRAM，而不是 NAND。

04. DRAM 現貨價變化如何影響存儲器市場？

從當前分析來看，DRAM 出貨量的增加與 2020 年 Q4-2021 年 Q2 存儲器市場的急劇擴張有關。那麼，這與 DRAM 價格的有多大關係呢？下面，我們來對 DRAM 的現貨價和合約價進行分析。

首先，下圖顯示了 2020 年 12 月 31 日至 2021 年 9 月 17 日期間各種 DRAM 的現貨價格。這裡 DDR 是 Double Data Rate 的縮寫，表示 DRAM 規格，DDR3 的傳輸速率是 DDR2 的 2 倍，DDR4 的傳輸速率是 DDR3 的 2 倍。

▲ 各種 DRAM 現貨價格（2020 年底-2021 年 9 月 17 日）

從上圖可以看出，DDR4 DRAM 比 DDR3 更貴，同一 DRAM 規格時，集成度高的價格更高。

接下來，將 2020 年 12 月 31 日的 DRAM 價格標準化為“1”，觀察各種 DRAM 價格的變化。到 2021 年 3~4 月，兩種 DDR3_2Gb DRAM 價格上漲了 2.4-2.5 倍以上。其次價格上漲的兩款 DDR3_4G，漲幅在 1.9~2 倍以上，兩款 DDR4_4G 緊隨其後，漲幅在 1.8~1.9 倍。

▲ 標準化的各類 DRAM 現貨價（2020 年底-2021 年 9 月 17 日）

另一方面，集成度最高的 16G 在 3 月份左右上漲了 1.2 倍左右，其次的兩種 DDR4_8G 價格上漲了約 1.4~1.5 倍。簡而言之，在 DRAM 現貨價格中，傳輸速率低、集成度不高的傳統 DRAM 價格一路高漲。從 DRAM 合約價的變化也可以看出這個趨勢。

05. 傳統 DRAM 現貨價和合約價都在上漲

下圖顯示了 2020 年 9 月至 2021 年 8 月各種 DRAM 的合約價變化。與現貨價格類似，其價格按 DDR2、DDR3、DDR4 的順序上漲，如果 DDR 相同，集成度越高，價格越高。

▲ 各種 DRAM 合約價（2020 年 9 月-2021 年 8 月）

接下來，我們將 2020 年 12 月的合約價標準化為“1”，並查看了各種 DRAM 價格的變化，結果顯示價格從高到低依次是 DDR3_2G、DDR2_512M、DDR2_1G、DDR3_1G，價格從高到低。另一方面，兩款 DRAM 集成度最高的 DDR4_8G 的漲價幅度最低。

▲ 標準化的各種 DRAM 合約價（2020 年底-2021 年 8 月）

換句話說，無論是現貨價還是合約價，傳統 DRAM 價格都在上漲，而集成度高的 DRAM 價格並沒有上漲那麼多。為什麼會發生這樣的事情呢？

06. 新冠肺炎疫情催化傳統 DRAM 價格飆漲

也許價格大幅上漲的傳統 DRAM 主要應用於家用電器產品等領域。新冠肺炎疫情迫使人們呆在家裡。結果，為了在家裡更舒適地生活，人們就在網購家電產品，這些家電產品不需要高傳輸速率、高集成度的 DRAM，因此，市場上很少出現的傳統 DRAM 價格飆漲。

▲ 標準化的各類 DRAM 現貨價（2020 年底至 2021 年 9 月 17 日）

這個推論可以從下面的事件中得到證實。首先，我們再來看看上面這張圖，一直上漲的傳統 DRAM 現貨價格從 7 月左右開始下跌。此時全球都在推進新冠肺炎疫苗接種，封鎖也被逐漸解除。

因此，對新冠肺炎疫情的需求可能曾經收斂。不過傳統 DRAM 的合約價還在上漲，這一推論是否正確還有待驗證。

下圖顯示了集成度不同的每月 DRAM 出貨量。DRAM 每隔 3-4 年就會被集成度最高的產品所取代。目前主流的 DRAM 是 4G 以上的 8G 或 16G。

由於現貨價和合約價漲幅較大的 2G 在 2013 年見頂，1G 在 2010 年達到峰值，512M 在 2008 年左右達到峰值，因此，市場上 DRAM 的絕對數量很少。稀有的 DRAM 因突發的新冠肺炎疫情而變得必要，所以價格上漲超 2 倍。

▲ 按集成度劃分的 DRAM 月出貨量（1991 年 1 月-2021 年 6 月）

07. DRAM 出貨額上漲背後，兩大因素雙重作用

再回到下圖中從 2020 年 Q4 到 2021 年 Q1 DRAM 出貨額的快速增長。其快速增長的第一個原因是 DRAM 出貨量的增加。

▲ DRAM 季度出貨額及出貨量變化（1991-2021 Q2）

那麼 DRAM 價格上漲的影響有多大？從下圖中按集成度劃分的 DRAM 出貨量可以看出，目前生產的 DRAM 大部分是 4G、8G 和 16G。

▲ 按集成度劃分的 DRAM 月出貨量（1991 年 1 月-2021 年 6 月）

由下圖可見，高集成度 DRAM（例如 8G）的合約價上漲了 1.44 倍。

▲ 標準化的各種 DRAM 合約價（2020 年底-2021 年 8 月）

我們來算一下為什麼 DRAM 出貨量從 2020 年 Q4 到 2021 年 Q2 會快速增長。

▲ 2020 年 Q4 至 2021 年 Q2 DRAM 出貨量增長背後的因素

DRAM 出貨額從 149.86 億美元增至 235.3 億美元（1.57 倍）

DRAM 出貨量從 48.88 億個增加到 55.29 億個（1.13 倍）

主流的 DDR4_8G 合約價從 2.85 美元漲至 4.1 美元（1.44 倍）

（出貨量係數 1.13）x（漲價係數 1.44）= 1.62

如上所述，DRAM 出貨量增長幅度（1.57 倍）與出貨量增長 1.13 倍、主流 DRAM 價格增長 1.44 倍的乘積值（1.62 倍）大致相當。

因此，可以說這張圖中 DRAM 出貨額的增加是由出貨量和價格上漲兩方面因素共同造成的。一開始湯之上隆以為出貨量的增加會帶來更大影響，但後來發現價格上漲反而會帶來更大的影響。

▲ DRAM 出貨量季度出貨量及數量變化（~2021 Q2）

08. NAND 現貨價走勢難解

湯之上隆也對 NAND 進行了現貨價和合約價的分析。首先，下圖展示了 2020 年 12 月 31 日~2021 年 9 月 17 日期間各種 NAND 的現貨價走勢。

▲ 各種 NAND 的現貨價（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，分別是可以在一個存儲器單元中寫入 1 位、2 位、3 位的 NAND。另外 3D TLC 是 3D NAND 的意思，沒有 3D 的 NAND 都是 2D NAND。

繼續看上面這張圖，可以看到 3D TLC 1T（1TB）是最高的，SLC 1G 和 SLC 2G 是最便宜的，除此之外沒有規律。

因此，與 DRAM 的情況相同，湯之上隆觀察了 2020 年 12 月 31 日將價格標準化為“1”時各種 NAND 的價格變化。要解釋下面這張圖相當困難。首先，從整體上來說，沒有哪一種 NAND 的價格像 DRAM 的現貨價一樣上漲 2 倍。價格最高的 SLC_2G 也只有 1.2~1.27 倍。

▲ 標準化的各種 NAND 的現貨價（2020 年末-2021 年 9 月 17 日）

此外，MLC_128G 和 MLC_256G 的價格幾乎呈線性增長。SLC_16G 價格從 8 月下旬開始突然猛漲。另一方面，SLC_8G 自 4 月中旬以後，價格下降到“1”以下，持續下降到 0.93。

那麼，為何上述 NAND 會有這樣的表現呢？這很難明確回答，比如 SLC_2G 和 SLC_1G 的價格相對較高。由於 SLC 的集成度不高，可以考慮汽車等要求高可靠性但不關注集成度的應用（雖然沒有太多證據）。

09. NAND 的現貨價和合約價未大幅上漲

接下來，我們來看一下 2020 年 12 月~2021 年 8 月期間各種 NAND 合約價的變化。價格最高的是 SLC_32G，其次是 SLC_16G，MLC_128G 為第三。由此可見，NAND 並不是集成度越高，價格越高。

▲ 各種 NAND 合約價（2020 年 12 月-2021 年 8 月）

如果集成度相同，均為 32G，MLC 價格約為 3 美元，而 SLC 達到 4 倍以上，為 12.55 美元。換言之，對於汽車和高性能計算機等可靠性要求嚴格的產品，可使用 SLC 而非 MLC。

NAND 廠商在開發 TLC 之後又開發了 Quad Level Cell（4 位單元）和 Penta Level Cell（5 位單元），但這些多位單元似乎不能用於所有終端產品。

湯之上隆們將 2020 年 12 月合約價標準化為“1”，觀察各種 NAND 價格的變化。結果顯示，所有 NAND 在 2021 年 3 月~4 月期間價格上漲了 1.06~1.1 倍，6 月~7 月再漲了 1.5~1.18 倍。

▲ 標準化的各種 NAND 合約價（2020 年末-2021 年 8 月）

到 2021 年 8 月，MLC_32G、MLC_128G 和 MLC_64G 是價格漲幅最大的，然後是 SLC_1G。誠然，SLC_1G 屬於現貨價格漲幅較大的一類，但 SLC_2G 在 8 月中旬之前現貨價漲幅最大，是合約價漲幅最小的類型。

綜上所述，無論是 NAND 的現貨價還是合約價，都沒有像 DRAM 那樣大幅上漲。此外，存儲單元的大小、集成度與 NAND 價格之間的相關關係很難找到。順便一提，目前生產的 NAND 中，集成度超過 512G 的 NAND 逐漸取代 256G 成為主流。

▲ 各集成度 NAND 每月出貨量（1991 年 1 月~2021 年 6 月）

10. 結語：存儲器市場的急速擴張，將持續到何時?

從各季度半導體出貨量來看，2020 年 Q4 至 2021 年 Q2，存儲器市場迅速擴張。其主要原因在於 DRAM 而非 NAND。在 DRAM 方面，出貨量創下季度歷史新高，超過 55 億個。同時，由於主力產品 8G 合約價上漲 1.44 倍，DRAM 出貨金額也增加了 1.57 倍，達到 235.3 億美元。

另外，傳統 DRAM 的現貨價和合約價都上漲 2 倍以上。經分析，傳統 DRAM 的絕對數量較少，且因新冠肺炎疫情盤踞，各種家電需求擴大，導致價格上漲。

DRAM 市場以及存儲器市場的迅速擴張將持續到何時？這可能取決於 MPU。2016 年英特爾 10nm 工藝“難產”，後來它又為 14nm“續命”，為了提高 MPU 的性能，增加內核數量，因此增加了芯片面積，因而從 1 片晶圓可獲取的芯片數量減少了。