伴隨著英偉達AI芯片的熱賣，HBM（高帶寬內(nèi)存）成為了時下存儲中最為火熱的一個領域，不論是三星、海力士還是美光，都投入了大量研發(fā)人員與資金，力圖走在這條賽道的最前沿。

HBM 的初衷，是為了向 GPU 和其他處理器提供更多的內(nèi)存，但隨著GPU 的功能越來越強大，需要更快地從內(nèi)存中訪問數(shù)據(jù)，以縮短應用處理時間。例如，在機器學習訓練運行中，大型語言模型 (LLM) 可能需要重復訪問數(shù)十億甚至數(shù)萬億個參數(shù)，而這可能需要數(shù)小時或數(shù)天才能完成。

這也讓傳輸速率成為了HBM的核心參數(shù)，而已有的HBM都采用了標準化設計：HBM 存儲器堆棧通過微凸塊連接到 HBM 堆棧中的硅通孔（TSV 或連接孔），并與放置在基礎封裝層上的中間件相連，中間件上還安裝有處理器，提供 HBM 到處理器的連接。與普通的DRAM相比，如此設計的HBM能夠垂直連接多個DRAM，能顯著提升數(shù)據(jù)處理速度，

目前，HBM 產(chǎn)品以HBM（第一代）、HBM2（第二代）、HBM2E（第三代）、HBM3（第四代）、HBM3E（第五代）的順序開發(fā)，最新的HBM3E是HBM3的擴展版本，速率達到了8Gbps。

但對于AI芯片來說，光靠傳統(tǒng)的硅通孔已經(jīng)無法滿足廠商對于速率的渴求，內(nèi)存廠商和標準機構正在研究如何通過使用光子等技術或直接在處理器上安裝 HBM，從而讓像GPU 這樣的加速處理器可以獲得更快的內(nèi)存訪問速度。

誰才是新方向？

雖然目前業(yè)界都在集中研發(fā)HBM3的迭代產(chǎn)品，但是廠商們?yōu)榱藸帄Z市場的話語權，對于未來HBM技術開發(fā)有著各自不同的見解與想法。

三星

三星正在研究在中間件中使用光子技術，光子通過鏈路的速度比電子編碼的比特更快，而且耗電量更低。光子鏈路可以飛秒速度運行。這意味著10-1?個時間單位，即四十億分之一（十億分之一的百萬分之一）秒。在最近舉行的開放計算項目（OCP）峰會上，以首席工程師李彥為代表的韓國巨頭先進封裝團隊介紹了這一主題。

除了使用光子集成電路外，另一種方法是將 HBM 堆棧更直接地連接到處理器（上圖中的三星邏輯圖）。這將涉及謹慎的熱管理，以防止過熱。這意味著隨著時間的推移，HBM 堆棧可以升級，以提供更大的容量，但這需要一個涵蓋該領域的行業(yè)標準才有可能實現(xiàn)。

SK海力士

據(jù)韓媒報道，SK海力士還在研究 HBM 與邏輯處理器直接連接的概念。這種概念是在混合使用的半導體中將 GPU 芯片與 HBM 芯片一起制造。芯片制造商將其視為 HBM4 技術，并正在與英偉達和其他邏輯半導體供應商洽談。這個想法涉及內(nèi)存和邏輯制造商共同設計芯片，然后由臺積電（TSMC）等晶圓廠運營商制造。

這有點類似于內(nèi)存處理（PIM）的想法，如果最終不能成為行業(yè)標準的話，很可能會變成事實上的廠商獨占。

美光

Tom's Hardware 報道稱，美光與市場上的其他公司正在開展 HBM4 和 HBM4e 活動。美光目前正在生產(chǎn) HBM3e gen-2 內(nèi)存，采用 8層垂直堆疊的 24GB 芯片。美光的 12 層垂直堆疊 36GB 芯片將于 2024 年第一季度開始出樣。它正與半導體代工運營商臺積電合作，將其 gen-2 HBM3e 用于人工智能和 HPC 設計應用。

美光表示，其目前的產(chǎn)品具有高能效，對于安裝了1000萬個GPU的設備來說，每個HBM堆棧能節(jié)省約5瓦的功耗，預計五年內(nèi)將比其他HBM產(chǎn)品節(jié)省高達5.5億美元的運營開支。

下一代HBM

2015年以來，從HBM1到HBM3e，它們都保留了相同的1024位(每個堆棧)接口，即具有以相對適中的時鐘速度運行的超寬接口，為了提高內(nèi)存?zhèn)鬏斔俾剩乱淮鶫BM4可能需要對高帶寬內(nèi)存技術進行更實質(zhì)性的改變，即從更寬的2048位內(nèi)存接口開始。

出于多種技術原因，業(yè)界打算在不增加 HBM 存儲器堆棧占用空間的情況下實現(xiàn)這一目標，從而將下一代 HBM 存儲器的互連密度提高一倍。HBM4 會在多個層面上實現(xiàn)重大技術飛躍。在 DRAM 堆疊方面，2048 位內(nèi)存接口需要大幅增加內(nèi)存堆疊的硅通孔數(shù)量。同時，外部芯片接口需要將凸塊間距縮小到遠小于 55 微米，而 HBM3 目前的凸塊總數(shù)（約）為 3982 個，因此需要大幅增加微型凸塊的總數(shù)。

內(nèi)存廠商表示，他們還將在一個模塊中堆疊多達 16 個內(nèi)存模塊，即所謂的 16-Hi 堆疊，從而增加了該技術的復雜性。(從技術上講，HBM3 也支持 16-Hi 堆疊，但到目前為止，還沒有制造商真正使用它）這將使內(nèi)存供應商能夠顯著提高其 HBM 堆疊的容量，但也帶來了新的復雜性，即如何在不出現(xiàn)缺陷的情況下連接更多的 DRAM 凸塊，然后保持所產(chǎn)生的 HBM 堆疊適當且一致地短。

在阿姆斯特丹舉行的臺積電 OIP 2023 會議上，臺積電設計基礎設施管理主管這樣說道："因為[HBM4]不是將速度提高了一倍，而是將[接口]引腳增加了一倍。這就是為什么我們要與所有三家合作伙伴合作，確保他們的 HBM4（采用我們的先進封裝方法）符合標準，并確保 RDL 或 interposer 或任何介于兩者之間的產(chǎn)品都能支持（HBM4 的）布局和速度。因此，我們會繼續(xù)與三星、SK 海力士和美光合作"。

目前，臺積電的 3DFabric 存儲器聯(lián)盟目前正致力于確保 HBM3E/HBM3 Gen2 存儲器與 CoWoS 封裝、12-Hi HBM3/HBM3E 封裝與高級封裝、HBM PHY 的 UCIe 以及無緩沖區(qū) HBM（由三星率先推出的一項技術）兼容。

美光公司今年早些時候表示，"HBMNext "內(nèi)存將于 2026 年左右面世，每堆棧容量介于 36 GB 和 64 GB 之間，每堆棧峰值帶寬為 2 TB/s 或更高。所有這些都表明，即使采用更寬的內(nèi)存總線，內(nèi)存制造商也不會降低 HBM4 的內(nèi)存接口時鐘頻率。

總結

與三星和 SK海力士不同，美光并不打算把 HBM 和邏輯芯片整合到一個芯片中，在下一代HBM發(fā)展上，韓系和美系內(nèi)存廠商涇渭分明，美光可能會告訴AMD、英特爾和英偉達，大家可以通過 HBM-GPU 這樣的組合芯片獲得更快的內(nèi)存訪問速度，但是單獨依賴某一家的芯片就意味著更大風險。

美國的媒體表示，隨著機器學習訓練模型的增大和訓練時間的延長，通過加快內(nèi)存訪問速度和提高每個 GPU 內(nèi)存容量來縮短運行時間的壓力也將隨之增加，而為了獲得鎖定的 HBM-GPU 組合芯片設計（盡管具有更好的速度和容量）而放棄標準化 DRAM 的競爭供應優(yōu)勢，可能不是正確的前進方式。

但韓媒的態(tài)度就相當曖昧了，他們認為HBM可能會重塑半導體行業(yè)秩序，認為IP（半導體設計資產(chǎn)）和工藝的重大變化不可避免，還引用了業(yè)內(nèi)人士說："除了定制的'DRAM 代工廠'之外，可能還會出現(xiàn)一個更大的世界，即使是英偉達和 AMD 這樣的巨頭也將不得不在三星和 SK 海力士制造的板材上進行設計。"

當然SK 海力士首席執(zhí)行官兼總裁 Kwak No-jeong的發(fā)言更值得玩味，他說：“HBM、計算快速鏈接（CXL）和內(nèi)存處理（PIM）的出現(xiàn)將為內(nèi)存半導體公司帶來新的機遇，這種濱化模糊了邏輯半導體和存儲器之間的界限，內(nèi)存正在從一種通用商品轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特殊商品，起點將是 HBM4。”

由此看來，下一代HBM技術路線的選擇，可能會引發(fā)業(yè)界又一輪重大的洗牌，誰能勝出，我們不妨拭目以待。

審核編輯：黃飛