人工智能存储系列报告一：AI拉动需求增长，存储大周期方兴未艾

A I拉 动 需 求 增 长 ， 存 储 大 周 期 方 兴 未 艾 行业研究·行业专题 计算机·人工智能 投资评级：优于大市（维持评级） 证券分析师：熊莉021-61761067xiongli1@guosen.com.cnS0980519030002 证券分析师：艾宪0755-22941051aixian@guosen.com.cnS0980524090001 摘要 n存储系统：系统构成与分类。1）系统构成：AI存储系统主要分为网络端存储和本地端存储，其中网络端存储主要存放冷数据，主要由HDD和SSD存储；本地端存储主要存放热数据和温数据，主要由HBM、DRAM、本地SSD存储。2）存储分类：存储主要可以分为“易失性”的Memory和“非易失性”的Storage，其中Memory主要包括DRAM和HBM，优势为速度快；Storage主要包括SSD和HDD，优势为容量大、成本低。 n市场与技术趋势：HDD、SSD、NAND、DRAM、HBM。1）HDD：HDD即硬盘，主要通过提升面密度提升HDD容量，近期HAMR（热辅助磁记录）技术可以大幅提升单碟容量，市场格局呈现双寡头垄断，希捷科技、西部数据为主要参与者；2）SSD：SSD即固态硬盘，一种以NAND Flash为介质的存储设备，NAND堆叠层数持续增长，单元架构逐步从SLC转化为MLC、QLC，市场参与者主要为三星、海力士（包括Solidigm）、美光、闪迪、铠侠；3）DRAM：DRAM具备功耗小，集成度高，成本低等优势，逐步从DRAM迭代至SDRAM、DDR，目前头部厂商已经开始对DDR6研发，下游需求主要在手机、PC、服务器领域，主要参与者包括三星、海力士、美光；4）HBM：多层DRAM芯片堆叠，通过TSV实现垂直方向的互联，进而具有更高的存储密度和更大的带宽，目前主要应用于AI领域，主要参与者为海力士、美光、三星；5）NAND：存储单元表达的bit数持续增长，堆叠层数持续增长，下游需求主要为SSD和手机，主要参与者为三星、海力士、铠侠、美光、闪迪。 n需求测算：AI训练、推理拉动存储需求增长。AI大模型推理拉动存储需求快速增长，根据我们测算结果，2026年AI推理对DRAM、NAND需求分别为23.0EB、593.5EB，短期供不应求，存储价格有望持续提升，存储大周期方兴未艾。 n公司梳理：全球存储公司业务重心：三星电子、海力士在DRAM、HBM、NAND、SSD等领域市占率均较高，为全球存储龙头公司；其次为美光，产品矩阵全面，但市占率略低于三星、海力士；闪迪、铠侠聚焦于NAND、SSD领域，西部数据、希捷科技聚焦于HDD领域。 n风险提示：厂商DRAM、NAND扩产，进而导致产品价格下降风险；互联网大厂资本开支不及预期风险；AI应用活跃用户数增长不及预期风险；AI大模型方案优化，进而减少对存储需求风险等。 目录 存储系统：系统构成与分类01市场与技术趋势：HDD、SSD、NAND、DRAM、HBM02需求测算：AI训练、推理拉动存储需求增长03公司梳理：全球存储公司业务重心04风险提示05 存储系统：AI工作负载在不同阶段需要不同存力支撑 nAI工作负载在不同阶段需要不同的存力支撑。 Ø源数据（网络SSD和HDD）：硬盘（HDD）能够长期保存原始数据并提供数据保护；固态盘（SSD）作为即时访问的数据层；Ø训练模型（HBM、DRAM、本地SSD、网络SSD和HDD）：数据快速从存储加载到HBM、DRAM以及本地固态盘，供后续计算密集型操作使用；其中，网络HDD和SSD存储检查点（CheckPoint），以保护和优化模型训练；Ø创建内容（HBM、DRAM、本地SSD）：推理过程中的内容创建主要依靠HBM、DRAM和本地SSD或HDD完成；Ø存储内容（网络SSD和HDD）：存储内容以便后续优化，硬盘用于存储并保护内容的副本；Ø保留数据（网络SSD和HDD）：复制的数据集跨区域和环境进行保留；Ø重用数据（网络SSD和HDD）：元数据、模型数据以及推理数据推动了下一步工作。 资料来源：Seagate，国信证券经济研究所整理 资料来源：益企研究院，国信证券经济研究所整理 存储系统：英伟达H100存储系统拆解 n英伟达H100存储系统拆解： ØHBM：以英伟达H100为例，单颗H100配置了6颗HBM3堆栈（单堆栈为8个堆叠，单一堆叠为2GB，总共96GB）； ØDRAM：以英特尔Sapphire Rapids为例，单颗CPU支持8个内存通道，每通道支持2个DIMM；英伟达H100单台服务器配置两颗CPU，共计32个DIMM插槽，配置32个64GB DRAM（共计2TB）作为系统内存； 资料来源：英伟达，国信证券经济研究所整理 存储系统：英伟达存储系统比例关系 n英伟达DGX B200（8卡服务器）为例：根据英伟达披露数据，单颗B200配置HBM3E（180GB/s），则单台服务器（8颗B200）合计1.4TB/s；主板DRAM为2TB（可拓展至4TB，即System Memory），服务器本地SSD为8个3.84TB（合计30.72TB）；根据IBM披露数据，如果英伟达DGXB200服务器搭配IBM存储系统，4U（约127个计算节点）需要配置一个IBM Storage Scale 6000存储系统（加装9个硬盘HDD，对应3.4PB存储），则单台服务器对应27.4TB HDD，随着多模态模型的发展，以及逐步从训练侧转向推理侧，大量生成的图片、视频数据需要存储，网络存储需求有望持续提升。 资料来源：IBM，国信证券经济研究所整理 存储分类：经典的存储金字塔层级 n存储金字塔：存储主要可以分为“易失性”的内存（Memory）和“非易失性”的存储（Storage），存储金字塔自上而下，性能逐级下降、容量逐级递减、成本逐级递减。 Ø内存（Memory）：主要包括DRAM和HBM，属于“易失性”介质，断电后就会丢失信息，优势为速度快，劣势为成本高、容量有限，通常访问频繁或者随时变更的数据会保留在较高的存储层； Ø存储（Storage）：主要包括SSD和HDD，属于“非易失性”介质，优势为容量大、成本低，劣势为性能较弱，通常访问较不频繁或需要长期保存的数据将移动到较低的存储层。 目录 存储系统：系统构成与分类01市场与技术趋势：HDD、SSD、NAND、DRAM、HBM02需求测算：AI训练、推理拉动存储需求增长03公司梳理：全球存储公司业务重心04风险提示05 硬盘驱动器（HDD）：面密度提升是容量提升的核心 nHDD架构：通常包括机械部分和电子部分。 Ø机械部分：主要包括底座、主轴电机、盘片、音圈电机、磁头组、顶盖等部分，所有盘片平行地安装在同一个转轴上，盘片的两面分别对应一个磁头，所有磁头关联在同一个磁头组上，磁头组尾部有一个音圈电机，驱动整个磁头组围绕同一个轴承旋转摆动； Ø电子部分：主要包括主控SOC、电机驱动芯片、RV传感器、Shock传感器、DRAM、Flash ROM等器件； n面密度提升是HDD容量提升的核心：面密度可以分解为两个相互垂直的分量，圆周方向的记录密度（Linear Density，沿着单个磁道上单位长度可以存储的数据位数）和磁道密度（Track Density，每英寸磁盘表面可以容纳的磁道数量。传统磁记录技术（CMR），磁道间是独立、有间隙的，没有依赖关系；叠瓦式磁记录（SMR）允许相邻磁道部分重叠，提高了磁道密度，能存储更多的数据。 资料来源：NakhonPathomRajabhat University，国信证券经济研究所整理 硬盘驱动器（HDD）：面密度持续提升，成本持续下降 nHDD磁盘面密度持续提升：根据IBM统计数据，HDD磁盘面密度在2008年之前提升速度较快，2008年之后面密度提升斜率放缓，2023年仅4%的同比提升，未来有望在新技术的驱动下加速提升。 nHDD磁盘每Bit成本持续下降：根据IBM统计数据，HDD磁盘每Bit成本持续下降，2010年之后年化成本下降幅度已经低于30%，且持续放缓。 资料来源：IBM，国信证券经济研究所整理 资料来源：IBM，国信证券经济研究所整理 硬盘驱动器（HDD）技术趋势：HAMR提升单碟容量 nHAMR（Heat-Assisted Magnetic Recording，热辅助磁记录）技术发展：希捷在HAMR技术具备领先优势，通过HAMR技术，目前量产产品达到单碟3TB、全盘30TB，此外单碟4TB、5TB已经在路线图中。25年1月希捷宣布，基于HAMR技术的魔彩盒3+平台加持下，可在十碟片中提供36TB的容量点，未来有望实现单碟容量10TB。 nHAMR提升单碟容量：随着时间的发展，HDD的盘片数量和盘片面积已经相对固定，提升磁盘的面密度成为主要的技术路径。面密度的提升会导致放置单位比特信息所占用的磁性颗粒面积变小，因为导致颗粒间相互磁影响越来越大，为保持信息稳定，需要使用高矫顽力颗粒，因而需要磁头施加刚强大的磁场变化，进而导致更长的操作时间和更多的干扰。HAMR技术通过等离子写入器精准地加热目标区域的超晶格铂合金介质，瞬间升温400℃以上，临时降低矫顽力以辅助写入，且在不到2ns的时间内迅速冷却。 资料来源：希捷，国信证券经济研究所整理 资料来源：益企研究院，国信证券经济研究所整理 资料来源：益企研究院，国信证券经济研究所整理 硬盘驱动器（HDD）技术趋势：西部数据OptiNAND技术 n西部数据HDD磁盘面密度持续提升：西部数据2013年率先对HDD进行密封封装，2013年发布氦气HDD（Helio Seal技术）；2019年率先交付ePMRHDD（能量辅助垂直磁记录）产品；2021年发布OptiNAND技术，进一步提升HDD磁盘面密度。 nOptiNAND提升HDD面密度：集成了iNAND UFS EFD、EFD（嵌入式闪存盘）和旋转型磁碟介质，同时对固件算法和SoC进行了革新，将寻道数据、定位数据等元数据记录在iNAND中（元数据量过大，无法以成本效益保存在DRAM中，若从磁盘检索又会干扰主机操作和性能）；与采用TSA（Triple Stage Actuator）技术相结合，实现更大TPI（每英寸磁道数量）和面密度（上一代HDD写入操作是以磁道为单位，因为刷新是对整个磁道进行，而OptisNAND技术在iNAND中记录了扇区级别的写入操作，则仅刷新扇区即可，通过消除过多的刷新，相邻磁道可以更靠近），在不需要增加碟片数量和磁头数量的情况下，实现容量的提升；此外，原来放置在碟片中的元数据，放置在iNAND中，腾出了碟片空间。 资料来源：西部数据，国信证券经济研究所整理 资料来源：西部数据，国信证券经济研究所整理 硬盘驱动器（HDD）技术趋势：多磁臂技术与生态统一 n多磁臂技术：随着硬盘容量的增加，单位容量的IOPS持续下降，而对于分布式存储来说，规模越大，低IOPS的危害也就越大，尤其是写入操作的过大延迟会拖累这个集群的响应能力；以希捷的双磁臂（MACH.2）为例，两组磁臂上下堆叠，共用一个枢轴，每组磁头除了拥有独立的音圈马达及驱动芯片，也对应各自独立的主控、缓存等（MACH.2在逻辑上就是2个硬盘，通过SAS协议的逻辑单元（LUN）功能（SATA接口版本不可以），在操作系统中显示为两个容量减半LUN），其可以让传输速率翻倍、读IPOS也接近翻倍，同时单位成本低于使用两块较小容量的硬盘。 n生态统一，使用NVMe协议：目前SATA规范已经停止演进，SAS生态前景亦不如NVMe，统一到NVMe生态利于HDD发展。NVMe本为一种转为非易失性存储器设计的高性能、低延迟接口协议，主要用于使用PCIe总线的SSD，随着多磁臂的出现，硬盘最大传输率已经接近SATA接口的上限，且将SSD和硬盘接口协议统一，有更高的总线利用率，简化了存储的拓扑结构，利于与高性能存储网络解决方案的整合