由于處理器與存儲器的工藝、封裝、需求的不同，從1980年開始至今二者之間的性能差距越來越大。有數(shù)據(jù)顯示，處理器和存儲器的速度失配以每年50%的速率增加。
存儲器數(shù)據(jù)訪問速度跟不上處理器的數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)傳輸就像處在一個巨大的漏斗之中，不管處理器灌進(jìn)去多少，存儲器都只能“細(xì)水長流”。兩者之間數(shù)據(jù)交換通路窄以及由此引發(fā)的高能耗兩大難題，在存儲與運(yùn)算之間筑起了一道“內(nèi)存墻”。
隨著數(shù)據(jù)的爆炸勢增長，內(nèi)存墻對于計算速度的影響愈發(fā)顯現(xiàn)。為了減小內(nèi)存墻的影響，提升內(nèi)存帶寬一直是存儲芯片聚焦的關(guān)鍵問題。
長期以來，內(nèi)存行業(yè)的價值主張?jiān)诤艽蟪潭壬鲜冀K以系統(tǒng)級需求為導(dǎo)向，已經(jīng)突破了系統(tǒng)性能的當(dāng)前極限。很明顯的一點(diǎn)是，內(nèi)存性能的提升將出現(xiàn)拐點(diǎn)，因?yàn)樵絹碓蕉嗳碎_始質(zhì)疑是否能一直通過內(nèi)存級的取舍（如功耗、散熱、占板空間等）來提高系統(tǒng)性能。
基于對先進(jìn)技術(shù)和解決方案開展的研究，內(nèi)存行業(yè)在新領(lǐng)域進(jìn)行了更深入的探索。作為存儲器市場的重要組成部分，DRAM技術(shù)不斷地升級衍生。DRAM從2D向3D技術(shù)發(fā)展，其中HBM是主要代表產(chǎn)品。
HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬內(nèi)存）是一款新型的CPU/GPU 內(nèi)存芯片，其實(shí)就是將很多個DDR芯片堆疊在一起后和GPU封裝在一起，實(shí)現(xiàn)大容量，高位寬的DDR組合陣列。
通過增加帶寬，擴(kuò)展內(nèi)存容量，讓更大的模型，更多的參數(shù)留在離核心計算更近的地方，從而減少內(nèi)存和存儲解決方案帶來的延遲。
從技術(shù)角度看，HBM使DRAM從傳統(tǒng)2D轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw3D，充分利用空間、縮小面積，契合半導(dǎo)體行業(yè)小型化、集成化的發(fā)展趨勢。HBM突破了內(nèi)存容量與帶寬瓶頸，被視為新一代DRAM解決方案，業(yè)界認(rèn)為這是DRAM通過存儲器層次結(jié)構(gòu)的多樣化開辟一條新的道路，革命性提升DRAM的性能。
在內(nèi)存領(lǐng)域，一場關(guān)于HBM的競賽已悄然打響。
巨頭領(lǐng)跑，HBM3時代來臨
據(jù)了解，HBM主要是通過硅通孔（Through Silicon Via, 簡稱“TSV”）技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制，將數(shù)個DRAM裸片像樓層一樣垂直堆疊。
裸片之間用TSV技術(shù)連接
SK海力士表示，TSV是在DRAM芯片上搭上數(shù)千個細(xì)微孔并通過垂直貫通的電極連接上下芯片的技術(shù)。該技術(shù)在緩沖芯片上將數(shù)個DRAM芯片堆疊起來，并通過貫通所有芯片層的柱狀通道傳輸信號、指令、電流。相較傳統(tǒng)封裝方式，該技術(shù)能夠縮減30%體積，并降低50%能耗。
憑借TSV方式，HBM大幅提高了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。與傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)相比，HBM具有更高帶寬、更多I/O數(shù)量、更低功耗、更小尺寸。隨著存儲數(shù)據(jù)量激增，市場對于HBM的需求將有望大幅提升。
HBM的高帶寬離不開各種基礎(chǔ)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)計工藝的支持。由于HBM是在3D結(jié)構(gòu)中將一個邏輯die與4-16個DRAM die堆疊在一起，因此開發(fā)過程極為復(fù)雜。鑒于技術(shù)上的復(fù)雜性，HBM是公認(rèn)最能夠展示廠商技術(shù)實(shí)力的旗艦產(chǎn)品。
2013年，SK海力士將TSV技術(shù)應(yīng)用于DRAM，在業(yè)界首次成功研發(fā)出HBM。
HBM1的工作頻率約為1600 Mbps，漏極電源電壓為1.2V，芯片密度為2Gb（4-hi）。HBM1的帶寬高于DDR4和GDDR5產(chǎn)品，同時以較小的外形尺寸消耗較低的功率，更能滿足GPU等帶寬需求較高的處理器。
隨后，SK海力士、三星、美光等存儲巨頭在HBM領(lǐng)域展開了升級競賽。
2016年1月，三星宣布開始量產(chǎn)4GB HBM2 DRAM，并在同一年內(nèi)生產(chǎn)8GB HBM2 DRAM；2017年下半年，被三星趕超的SK海力士開始量產(chǎn)HBM2；2018年1月，三星宣布開始量產(chǎn)第二代8GB HBM2“Aquabolt”。
2018年末，JEDEC推出HBM2E規(guī)范，以支持增加的帶寬和容量。當(dāng)傳輸速率上升到每管腳3.6Gbps時，HBM2E可以實(shí)現(xiàn)每堆棧461GB/s的內(nèi)存帶寬。此外，HBM2E支持最多12個DRAM的堆棧，內(nèi)存容量高達(dá)每堆棧24GB。與HBM2相比，HBM2E具有技術(shù)更先進(jìn)、應(yīng)用范圍更廣泛、速度更快、容量更大等特點(diǎn)。
2019年8月，SK海力士宣布成功研發(fā)出新一代“HBM2E”；2020年2月，三星也正式宣布推出其16GB HBM2E產(chǎn)品“Flashbolt”，于2020年上半年開始量產(chǎn)。
據(jù)三星介紹，其16GB HBM2E Flashbolt通過垂直堆疊8層10納米級16GB DRAM晶片，能夠提供高達(dá)410GB/s的內(nèi)存帶寬級別和每引腳3.2 GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速度。
SK海力士的HBM2E以每個引腳3.6Gbps的處理速度，每秒能處理超過460GB的數(shù)據(jù)，包含1024個數(shù)據(jù)I/O。通過TSV技術(shù)垂直堆疊8個16GB芯片，其HBM2E單顆容量16GB。
HBM技術(shù)線路圖（圖源：SK海力士）
2020年，另一家存儲巨頭美光宣布加入到這一賽場中來。
美光在當(dāng)時的財報會議上表示，將開始提供HBM2內(nèi)存/顯存，用于高性能顯卡，服務(wù)器處理器產(chǎn)品，并預(yù)計下一代HBMNext將在2022年底面世。但截止目前尚未看到美光相關(guān)產(chǎn)品動態(tài)。
2022年1月，JEDEC組織正式發(fā)布了新一代高帶寬內(nèi)存HBM3的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，繼續(xù)在存儲密度、帶寬、通道、可靠性、能效等各個層面進(jìn)行擴(kuò)充升級，具體包括：
JEDEC表示，HBM3是一種創(chuàng)新的方法，是更高帶寬、更低功耗和單位面積容量的解決方案，對于高數(shù)據(jù)處理速率要求的應(yīng)用場景來說至關(guān)重要，比如圖形處理和高性能計算的服務(wù)器。
HBM性能演進(jìn)(圖源：Rambus)
SK海力士早在2021年10月就開發(fā)出全球首款HBM3，2022年6月量產(chǎn)了HBM3 DRAM芯片，并將供貨英偉達(dá)，持續(xù)鞏固其市場領(lǐng)先地位。隨著英偉達(dá)使用HBM3 DRAM，數(shù)據(jù)中心或?qū)⒂瓉硇乱惠喌男阅芨锩?/span>
根據(jù)此前的資料介紹，SK海力士提供了兩種容量產(chǎn)品，一個是12層硅通孔技術(shù)垂直堆疊的24GB（196Gb），另一個則是8層堆疊的16GB（128Gb），均提供819 GB/s的帶寬，前者的芯片高度也僅為30微米。相比上一代HBM2E的460 GB/s帶寬，HBM3的帶寬提高了78%。此外，HBM3內(nèi)存還內(nèi)置了片上糾錯技術(shù)，提高了產(chǎn)品的可靠性。
SK海力士對于HBM的研發(fā)一直非常積極，為了滿足客戶不斷增加的期望，打破現(xiàn)有框架進(jìn)行新技術(shù)開發(fā)勢在必行。SK海力士還在與HBM生態(tài)系統(tǒng)中的參與者（客戶、代工廠和IP公司等）通力合作，以提升生態(tài)系統(tǒng)等級。商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變同樣是大勢所趨。作為HBM領(lǐng)軍企業(yè)，SK海力士將致力于在計算技術(shù)領(lǐng)域不斷取得進(jìn)步，全力實(shí)現(xiàn)HBM的長期發(fā)展。
三星也在積極跟進(jìn)，在2022年技術(shù)發(fā)布會上發(fā)布的內(nèi)存技術(shù)發(fā)展路線圖中，三星展示了涵蓋不同領(lǐng)域的內(nèi)存接口演進(jìn)的速度。首先，在云端高性能服務(wù)器領(lǐng)域，HBM已經(jīng)成為了高端GPU的標(biāo)配，這也是三星在重點(diǎn)投資的領(lǐng)域之一。HBM的特點(diǎn)是使用高級封裝技術(shù)，使用多層堆疊實(shí)現(xiàn)超高IO接口寬度，同時配合較高速的接口傳輸速率，從而實(shí)現(xiàn)高能效比的超高帶寬。
在三星發(fā)布的路線圖中，2022年HBM3技術(shù)已經(jīng)量產(chǎn)，其單芯片接口寬度可達(dá)1024bit，接口傳輸速率可達(dá)6.4Gbps，相比上一代提升1.8倍，從而實(shí)現(xiàn)單芯片接口帶寬819GB/s，如果使用6層堆疊可以實(shí)現(xiàn)4.8TB/s的總帶寬。
2024年預(yù)計將實(shí)現(xiàn)接口速度高達(dá)7.2Gbps的HBM3p，從而將數(shù)據(jù)傳輸率相比這一代進(jìn)一步提升10%，從而將堆疊的總帶寬提升到5TB/s以上。另外，這里的計算還沒有考慮到高級封裝技術(shù)帶來的高多層堆疊和內(nèi)存寬度提升，預(yù)計2024年HBM3p單芯片和堆疊芯片都將實(shí)現(xiàn)更多的總帶寬提升。而這也將會成為人工智能應(yīng)用的重要推動力，預(yù)計在2025年之后的新一代云端旗艦GPU中看到HBM3p的使用，從而進(jìn)一步加強(qiáng)云端人工智能的算力。
從HBM1到HBM3，SK海力士和三星一直是HBM行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。
HBM未來潛力與演進(jìn)方向
對于接下來的規(guī)劃策略和技術(shù)進(jìn)步，業(yè)界旨在突破目前HBM在速度、密度、功耗、占板空間等方面的極限。
影響HBM性能的因素
首先，為了打破速度極限，SK海力士正在評估提高引腳數(shù)據(jù)速率的傳統(tǒng)方法的利弊，以及超過1024個數(shù)據(jù)的I/O總線位寬，以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)并行性和向后設(shè)計兼容性。簡單來講，即用最少的取舍獲得更高的帶寬性能。
針對更大數(shù)據(jù)集、訓(xùn)練工作負(fù)載所需的更高內(nèi)存密度要求，存儲廠商開始著手研究擴(kuò)展Die堆疊層數(shù)和物理堆疊高度，以及增加核心Die密度以優(yōu)化堆疊密度。
另一方面也在致力于提高功耗效率，通過評估從最低微結(jié)構(gòu)級別到最高Die堆疊概念的內(nèi)存結(jié)構(gòu)和操作方案，最大限度地降低每帶寬擴(kuò)展的絕對功耗。由于現(xiàn)有中介層光罩尺寸的物理限制以及支持處理單元和HBM Cube的其他相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總內(nèi)存Die尺寸最小化尤為重要。因此，行業(yè)廠商需要在不擴(kuò)大現(xiàn)有物理尺寸的情況下增加存儲單元數(shù)量和功能，從而實(shí)現(xiàn)整體性能的飛躍。
但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程來看，完成上述任務(wù)的前提是：存儲廠商要與上下游生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴攜手合作和開放協(xié)同，將HBM的使用范圍從現(xiàn)有系統(tǒng)擴(kuò)展到潛在的下一代應(yīng)用。
此外，新型HBM-PIM（存內(nèi)計算）芯片將AI引擎引入每個存儲庫，從而將處理操作轉(zhuǎn)移到HBM。
在傳統(tǒng)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)從內(nèi)存單元傳輸?shù)接嬎銌卧枰墓氖怯嬎惚旧淼募s200倍，數(shù)據(jù)的搬運(yùn)耗費(fèi)的功耗遠(yuǎn)大于計算，因此真正用于計算的能耗和時間占比很低，數(shù)據(jù)在存儲器與處理器之間的頻繁遷移帶來嚴(yán)重的傳輸功耗問題，稱為“功耗墻”。新型的內(nèi)存旨在減輕在內(nèi)存和處理器之間搬運(yùn)數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。
寫在最后
過去幾年來，HBM產(chǎn)品帶寬增加了數(shù)倍，目前已接近或達(dá)到1TB/秒的里程碑節(jié)點(diǎn)。相較于同期內(nèi)其他產(chǎn)品僅增加兩三倍的帶寬增速，HBM的快速發(fā)展歸功于存儲器制造商之間的競爭和比拼。
存儲器帶寬指單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，要想增加帶寬，最簡單的方法是增加數(shù)據(jù)傳輸線路的數(shù)量。事實(shí)上，每個HBM由多達(dá)1024個數(shù)據(jù)引腳組成，HBM內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸路徑隨著每一代產(chǎn)品的發(fā)展而顯著增長。
各代HBM產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸路徑配置
回顧HBM的演進(jìn)歷程，第一代HBM數(shù)據(jù)傳輸速率大概可達(dá)1Gbps；2016年推出的第二代產(chǎn)品HBM2，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Gbps；2018年，第三代產(chǎn)品HBM2E的最高數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)可達(dá)3.6Gbps。如今，SK海力士和三星已研發(fā)出第四代產(chǎn)品HBM3，此后HBM3預(yù)計仍將持續(xù)發(fā)力，在數(shù)據(jù)傳輸速率上有更大的提升。
從性能來看，HBM無疑是出色的，其在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、帶寬以及密度上都有著巨大的?yōu)勢。不過，目前HBM仍主要應(yīng)用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域，其最大的限制條件在于成本，對成本比較敏感的消費(fèi)領(lǐng)域而言，HBM的使用門檻仍較高。
盡管HBM已更迭到了第四代，但HBM現(xiàn)在依舊處于相對早期的階段，其未來還有很長的一段路要走。
而可預(yù)見的是，隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計算、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用市場的興起，內(nèi)存產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性正在快速上升，并對帶寬提出了更高的要求，不斷上升的寬帶需求持續(xù)驅(qū)動HBM發(fā)展。市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Omdia預(yù)測，2025年HBM市場的總收入將達(dá)到25億美元。
在這個過程中，存儲巨頭持續(xù)發(fā)力、上下游廠商相繼入局，HBM將受到越來越多的關(guān)注與青睞。
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