万字长文剖析中国半导体信息存储行业

近年来，我国包括“运力、算力和存力”在内的数据基础设施建设及其规模能级取得了举世瞩目成绩。据国家数据局2024年6月30发布的《数字中国发展报告（2023年）》显示：①截至2023年底，我国运力基础设施的网络运载能力已进入加速向重点场所深度延伸的升级新阶段。5G基站数达337.7万个，同比增长46.1%。具备千兆网络服务能力的10G PON端口数达2302万个，增幅达51.2%；②算力基础设施的信息计算能力实现跨越式发展，算力总规模达到230EFLOPS，居全球第二位，年均增速30%。其中，智能算力规模达到70EFLOPS，占总算力比重达30.4%。增速超过70%；③存力基础设施的数据存储能力展现向先进存储发展趋势，存力总规模达到约1200EB，同比增长20%。其中，先进存储容量占比超过25%。2023年2月，中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》明确提出，到2025年，我国“数据基础设施高效联通，数据资源规模和质量加快提升，数据要素价值有效释放，数字经济发展质量效益大幅增强，……数字技术创新实现重大突破，应用创新全球领先，数字安全保障能力全面提升……。”

从中看出，“十四五”期间，我国数据资源规模和质量、数据要素价值及数字安全保障能力将呈现一个跨越式发展格局，数据愈发成为促进各行各业新质生产力发展的关键生产要素，作为数据“居家”的半导体数据信息存储芯片、存力基础设施及其数据存储系统之底层基座作用愈益凸显。

1.1 我国半导体信息存储行业发展的阶段特征

（1）半导体信息存储行业重要性日益凸显。半导体信息存储是指基于半导体技术，以固态硬盘（SSD）为代表、采用闪存（Flash）芯片作为写入和读取数据的特定介质，通过由闪存芯片、主控芯片、DRAM缓存、电源和接口模块等制成数据存储设备的一种先进信息存储方式。它是将原始数据, 无论是结构化数据或非结构化数据按一定数据格式经过采集、清洗、分析等顺序，转化为可利用、有价值的信息数据进行存储、以便当前和未来运营之用；这些信息数据，都必须具备保障包括原始数据、半产品数据和成品信息数据在内整个数据存储安全的功能，以防止数据篡改、信息泄露和网络勒索病毒攻击等。

综上所述，可以看出半导体信息存储行业是我国半导体产业核心组成部分，它不仅肩负着提升自身行业数据存储能力和破解产业数据安全风险的责任，同时肩负着着力提升我国数据基础设施相关核心芯片的产业链供应链之韧性和安全水平之重任，更是肩负着助推我国数字中国建设发展中的“数据要素价值有效释放、数字安全保障能力提升”的使命。

（2）半导体先进存力国产替代芯片不断拉近与国际先进水平距离。面对外部挑战，在国家政策持续支持下，半导体信息存储的国产芯片的产业化、规模化呈现加速趋势。表1显示了近年来行业龙头骨干企业的不菲业绩。从中看出，自主研发的Flash、DRAM存储器与国际同类芯片性能相比已达到了国际先进水平。

（3）我国SSD主控芯片呈现跨越式发展势头。主控芯片在SSD中起着“大脑”作用，实现对SSD数据管理、 NAND坏块管理、NAND数据纠错、NAND寿命均衡、垃圾回收等功能，直接关系到SSD的性能、可靠性、稳定性和数据安全性。表1显示了近年来SSD主控芯片国产化发展状况。从中看出，如忆芯科技针对国内的高速度、高性能PCIe5.0市场需求，坚持自主研发，首次在全球推出了STAR1500和STAR1516两套PCIe Gen5芯片解决方案；另外，又如平头哥发布旗下首颗SSD主控芯片镇岳510，不仅显示该芯片性能技术参数指标达到了国内领先、国际先进水平，同时意味着平头哥的芯片产品家族从算力扩展到了存力领域，进一步为云计算行业提供高性价比的技术底座。

（4）“主控芯片+闪存芯片+ 数据存储整机 / 系统”生态环境臻趋优化。在数字中国的战略指引下，尤其在国家相关政策持续支持下，大大增强了半导体信息存储企业的自主研发创新能力，提高了国内半导体信息存储行业的整体竞争力及其国内市场占有率。

表 3、表 4 显示了近年来从闪存芯片到应用的整个行业生态发展状况。应该看到，今天我国半导体信息存储行业不仅是要完善自身产业链，更重要的是要构建起共生共赢的创新生态环境，这是提升我国半导体信息存储技术国际竞争力的核心所在。其中，表3 显示了 SSD 的相关龙头骨干企业的具体表现。从中可看到，长江存储推出的自有 SSD 品牌 - 致态TiPlus5000及TiPlus7100两款分别采用 “联芸 MAP1202 主控芯片 + 长江存储 X2-9060闪存芯片”和“联芸 MAP1602 主控芯片 + 长江存储TLC （X3-9060、X4-9060）闪存芯片”的方案，北京忆恒创源科技的 SSD 是基于长江存储晶栈 Xtacking® 3D QLC 闪存，这展现了我国已初步形成“主控芯片 +闪存芯片”的自主可控供应链。

表4显示了我国数据存储设备/系统的创新表现。从中看出，以华为、浪潮、新华三集团等为代表的国内存储龙头骨干企业正在通过新型数据范式、先进介质应用、数据安全可靠、绿色节能等措施推进产业的创新。尤其是，它们形成的引领效应，极大地助推我国在高性能存储、数据湖、混合存储等领域，构建起“存力芯片+SSD+数据存储整机/系统”的产业生态，形成产业闭环，致力于打造技术领先的存储控制器、固态硬盘（SSD）、数据存储设备/系统等产品，共同推动企业级数据中心存储技术的进步，不断创新产品和服务，为千行百业数字化转型提供更加高效、智能化、高安全可靠性的解决方案。

1.2 我国半导体信息存储行业存在的短板问题

（1）“供应侧”存在的短板问题。表5显示了我国集成电路、处理器及控制器、存储器的进口及其进出口贸易差状况。从中看出：2023年我国集成电路的进口金额都呈现负增长，这反映了由于国产替代的加速推进，提升了国内存储芯片的自给率；但是，从进出口贸易逆差来看，处理器及控制器贸易逆差1263亿美元，存储器贸易逆差231亿美元，又进一步揭示了我国处理器、存储器等高端芯片对外依赖度仍非常高。其中，根据美国半导体行业协会(SIA)报告显示，2023年全球存储器销售额为 923 亿美元，则我国789亿美元的存储器进口额就占到全球存储器销售额的85.5%。

（2）创新能力、市场竞争力的问题。这从全球闪存(NAND Flash)技术及其市场分析即见一斑。其中，在闪存堆叠技术方面，2023年三星、铠侠/西数、美光、SK海力士等均推出200层以上的产品，2024年很多已经朝300层更高堆叠的产品推进。另外，在闪存市场占有率方面，三星、铠侠、西部数据、美光、海力士五家要占据全球90%的市场份额。

2.1我国整个半导体产业自身数据面临的安全隐患

近年来，我国包括IC设计、芯片制造、封装测试和设备材料在内的半导体产业的数字化、智能化进程进入了加速发展期，分布式“云-边-端”协同工作模式已成为主流模式，涉及产业技术研发、生产工艺、人才管理、市场营销等敏感数据的安全问题日益凸显；尤其是，面对外部挑战，数据安全风险的防范与治理刻不容缓。这从技术密集度高、数据流通环节多、过程控制复杂的IC设计业和芯片制造业所面临状况即见一斑。

（1）IC设计业。应该看到，芯片设计文件是IC设计企业最核心的资产，鉴于各个流转环节有大量数据被高度共享使用，故必然存在数据安全风险问题。因此，IC设计企业对数字文件交换的安全性、可控性、便捷性存在天然的诉求。主要表现：

一是设计企业内部（包括企业在国内外分支机构）跨网文件交换场景的风险。因为从芯片设计到版图格式（GDSII）生成的整个环节，涉及诸如设计方案及其芯片验证、优化、调整等价值高、易复制、非排他等特征的极其重要文档，一旦发生重要数据泄露、资产受损等严重后果，将给企业造成所不能承受的经济和声望受损。

二是企业外部（包括芯片制造、封装测试和客户等企业）跨网文件交换场景的风险。因为IC设计企业需要将GDSII文件发送至境内外晶圆代工厂进行流片及生产，尤其是境外文件交换， 将面临不同国家和地区的法律和监管问题，以及跨境数据传输可能面临被截获、篡改或非法访问，乃至被黑客攻击的风险。所以，境外文件跨网交换必须保障数据的100%的准确性及授权管控。

三是中小微设计企业面临着更大的数据风险问题。据IC设计分会数据显示，2023年中国大陆IC设计企业总数为3451家，其中营收大于等于1亿元的企业数仅为625家，而小于1亿元及以下企业数则高达2825家，占总数的81.9%。相对而言，在数据资产的使用、传输、 保管、销毁的过程中，这2825家大部分是经营步履艰难的中小微企业，存在着管理不严、乃至无防护措施的数据安全风险，增加了行业数据安全管理工作难度。

（2）芯片制造业。应该看到，在半导体行业中，芯片制造业是业界自动化、智能化程度最高的业态。大量数据在云端、边缘端和终端之间产生、存储、传输，甚至流通于国外半导体产业链供应链之间，确保数据流转的全程安全可控已经成为提升行业数据保护能力、实现自身产业安全的当务之急。主要风险表现：

一是云端存在的风险。随着工艺技术进步，芯片复杂度增加，导致芯片制造中大量数据需高效、高速存储传输；鉴此，远程的具有存储、计算、处理和组网等云功能的大数据中心更是成为数据应用中不可或缺的一环。鉴于国内云端服务数据中心，绝大部分是基于国外开源分布式存储软件Ceph构建的存储系统，其可靠性和性能均不如企业自研的分布式存储软件；所以，如何加快排除关键基础软件引发的安全隐患和风险，构建高效、安全、可靠的关键基础设施是保障我国芯片制造业数据安全的大问题。

二是边缘端存在的风险。目前，芯片制造业在实时或半实时的情况下，为了及时更快速、更高效处理相关数据信息的存储传输应用，需要将数据的存储、计算、处理功能的位置转移到更接近生成或使用数据的设备，即网络的“边缘”。应该看到，如果边缘端的数据存储系统软件及其数据基础设施存在着安全漏洞，此漏洞将被攻击者利用而导致数据泄露；另外，如果边缘设备的安全措施不力等问题，更增加了数据泄露的风险。

三是终端存在的风险。其是指芯片生产线涉及的工艺设备、工业机器人和高端测试仪器，包括企业资源计划(ERP)系统等。它们直接涉及到芯片制造企业的核心工艺参数、检测、质量和运营等重要数据，以及物资、人力资源、财务资源等核心数据。由于目前我国半导体设备涉及种类繁多的国内外品牌，存在着数据通信接口各不相同、数据通信协议多样等问题，从而带来数据存储传输的失败风险；另外，由于迄今为止关键半导体设备和ERP等管理软件仍依赖海外品牌，这些设备和软件在使用维护过程中，由于通过网络与供应商等以图像、文件等形式进行洽谈，从而形成数据被攻击和窃取的薄弱环节，包括产生数据流动和使用的合规性等风险。

2.2 芯片设计制造过程中面临的数据安全隐患

应该看到，随着数据价值提升，同时由于人工智能密码分析和量子计算等技术的发展，相比过去的攻击手段，攻击门槛已大大降低。从芯片角度来看，越来越多芯片设计采用异构集成结构，导致芯片制造工艺流程复杂性增加，可靠性措施没有跟上所引发的缺陷而造成数据泄露开口，让攻击者在不接触芯片的情况下就能提取数据。主要表现：

（1）芯片制造的缺陷及其电路老化引发的安全隐患。由于芯片架构设计导致制造工艺流程复杂性，一旦工艺可靠性没有跟上，必然将增加诸如电迁移、介电击穿和热相关损伤等缺陷，包括芯片老化测试出现弱连接等，从而造成数据泄露开口，让攻击者在不接触芯片的情况下就能提取数据。

（2）Chiplet（小芯片)异构集成引发的安全隐患。将多个 Chiplet集成到一个异构封装中，而这些小芯片是通过全球供应链获取。各种工艺元件、存储器和其他零部件是使用不同的制造工艺开发，有时是由不同代工厂制造。这使得将这些零部件融合在一起时可能会产生弱点而导致安全漏洞，包括在设计、组装或测试期间对单个 Chiplet 的恶意修改或攻击造成的潜在风险。

（3）数据存储芯片及其模块架构缺乏一体化安全体系考虑。如MCM封装或2.3D/3D堆叠封装中，多种不同芯片封装集成在一起，即使内有经过认证，并性能良好的安全芯片，但是其中控制安全芯片运行的微控制器等受到攻击、密钥被获取，则安全芯片就无法保护整个系统的数据安全性。尤其是，目前行业中小微设计企业，仍存在着安全体系和芯片架构是脱节现象，包括芯片内置的通信接口IP模块，缺乏数据完整性和加密保护等保障机制，致使芯片与系统之间互联互通中，造成数据窃取、篡改，甚至是伪造等风险。

（4）数据存储的安全风险。当前半导体行业数据面临着更加多样化的安全威胁，威胁的方式包括网络攻击，数据泄露，未经授权的访问，数据盗窃和数据丢失等，与数据相关的安全事件呈扩大趋势；威胁的来源包括如黑客，恶意内部人员或意外系统故障，人为因素比例呈逐年上升趋势；威胁的损失包括业务停机带来的直接经济损失、商业声誉受损带来的业务影响、法规遵从带来的罚金等，对政府和企业业务的影响呈加深趋势。存储产业作为企业数据的基础承载底座，必须采取全面和积极的安全方法，从设计阶段到部署和维护存储解决方案，优先考虑安全，以确保客户数据免受不断发展的安全威胁影响，通过采用先进的技术和实施严格的安全协议，帮助客户消减安全风险，维护业务连续性并保护其声誉。

（5）数据中心存力基础设施，数据价值难以释放。今天AI大模型迅猛发展，带来数据中心的巨大变革。当前AI集群中GPU资源非常昂贵，但是GPU大多数时候处于等待状态，即AI集群的GPU的可用度不高，这根本原因在于缺少匹配的AI存力基础设施；为此，为了更好的助力半导体行业加速数据价值的释放，需要构建先进的存力基础设施。另外，面对的挑战是数据中心韧性不足，如果遭遇勒索攻击，训练数据或者大模型参数数据被挟持，企业将面临巨大的损失。最后是数据资产化管理的不足，当前企业的所有数据资产无法做到可视、可管、可用，数据资产难以有效的管理。

3.1 我国超大规模市场优势带来的独特机遇

（1）国家“数字中国”、“东数西算”等一系列的重大战略和重大工程的部署落实，创造并展现了我国独特的超大规模IC应用市场。根据相关数据显示，未来7-12年，数字经济、低碳经济将是全球经济增长主引擎，到2025年全球包括智能硬/软件及其系统和内容服务在内整个市场规模将达11.22万亿美元，届时占全球经济的11%。尤其是，随云-边-端计算广泛应用于各行各业，将不仅产生大量不同类型数据，且数据安全和网络安全要求越来越高，致使具有安全体系架构的半导体信息存储设备市场将持续健康增长。

（2）“元宇宙”将是数字经济时代的科技战略高地。元宇宙是指在现实宇宙外，营造起一个由增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、混合现实（MR）、沉浸式视觉、区块链，云计算、数字孪生、人工智能、大数据、3D等技术支持、超越现实宇宙运行的虚拟现实之崭新空间互联网，从而极大地推动数据呈现爆发性增长、半导体信息存储空间将持续呈现指数式扩大趋势。据华为2023年4月发布的《数据存储2030》白皮书显示，预测到2030年，全球每年产生的数据总量将达1YB，相比2020年增长23倍，人类将迎来YB数据时代。未来数据存储将在先进介质应用、以数据为中心的体系架构、数据存储原生安全、智能数据编织、数据即应用及绿色低碳存储六大关键技术方面进行创新，以应对日益增长的数据存力需求。

3.2  全球半导体技术处于前所未有的大变革时期带来的机遇

新一轮科技革命和产业变革热潮涌起，全球以半导体集成电路为核心的世界电子信息产品将进入“5G/6G+AI”创新迭代的爆发时期。未来5-10年或更长时间，全球IC技术将沿着延续摩尔定律、后摩尔定律和超越CMOS时代发展，展现了一个充分创新活力的时代，营造起重大科技发明及其重大工程科技创新的前所未有的机遇。

（1）后摩尔定律。主要特征是专注于产品多功能化，通过“先进封装技术+成熟工艺（或先进工艺）制程芯片”的Chilet（2.5/3D IC）技术、硅基CMOS和第三代半导体技术融合技术等，以提供具有更高附加价值的系统及其解决方案。应该看到，随AI、大数据对半导体功能、性能大幅度提高，半导体设计的复杂度越来越高，所需存储容量呈指数的增加，加上先进制程贴近极限，给摩尔定律引领向纵向扩展的基础架构带来了巨大压力，于是Chiplet集成方式迎来黄金发展期。应该看到，Chiplet模块化的集成方式，需要从各种大小和各种类型的文件中进行数据分析，致使数据大量增长，包括非结构化数据在内的数据类型越来越复杂，从而要求数据存储系统具有更丰富存储接口、更强的扩展性和安全性。为此，面对外部挑战，结合行业发展的现状，极大地励志我国半导体信息存储行业要构建起具有自主可控的“横向扩展架构+Chiplet集成+数据基础系统”一体化数据存储技术路线和具有中国特色的发展路径，促使我国的数据存储系统更好地安全保障数据分析应用的新质生产力发展。

（2）超越CMOS时代。主要特征是新材料、新器件结构及新技术发生革命性突破，包括电子自旋、磁自旋、铁电、碳纳米管、石墨烯、金刚石和氧化镓等新技术新材料，以及光子芯片、量子芯片、神经网络芯片、脱氧核糖核酸（DNA）存储等等。《国家十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出：“十四五”期间，聚焦高端芯片、操作系统、人工智能关键算法、传感器等关键领域，加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术。到2025年人工智能基础理论实现重大突破，部分技术与应用达到世界领先水平，展望2035年，我国经济实力、科技实力、综合国力将大幅跃升，关键核心技术实现重大突破，进入创新型国家前列。”其中，脱氧核糖核酸（DNA）具有极高的存储密度和稳健性、可编码性和高效复制能力和信息处理和计算能力，有可能成为长新一代数据存储介质，突破海量数据存储的瓶颈。