價格暴漲500%，HBM市場徹底被引爆

內(nèi)存技術(shù)作為計算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，其性能的提升對于整體計算能力的提升至關(guān)重要。在這個背景下，高帶寬內(nèi)存（HBM）以其卓越的性能表現(xiàn)，正逐漸在內(nèi)存技術(shù)領(lǐng)域嶄露頭角，成為推動計算領(lǐng)域進(jìn)入全新時代的關(guān)鍵力量。

相較于傳統(tǒng)的動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（DRAM），HBM 的性能優(yōu)勢顯而易見。

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越 DDR

DDR 是一種常見的計算機(jī)內(nèi)存類型，最早是為了提高內(nèi)存?zhèn)鬏斔俾识O(shè)計的。它采用了雙倍數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，即在每個時鐘周期內(nèi)可以傳輸兩次數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

目前最常見的 DDR 版本是 DDR4、DDR5，但在過去還有 DDR3、DDR2、DDR 等版本。每一代 DDR 版本都有不同的數(shù)據(jù)傳輸速率和性能。

DDR 內(nèi)存通常用于計算機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)存，用于存儲操作系統(tǒng)和正在運行的應(yīng)用程序等數(shù)據(jù)。

HBM 是一種高帶寬內(nèi)存技術(shù)，專注于提供更高的內(nèi)存帶寬，尤其適用于高性能計算和圖形處理領(lǐng)域。HBM 的一個顯著特點是，它使用了堆疊技術(shù)，將多個 DRAM 芯片垂直堆疊在一起，從而大大增加了數(shù)據(jù)通路，提高了內(nèi)存的帶寬。

因此 HBM 具有可擴(kuò)展更大容量的特性。不僅 HBM 的單層 DRAM 芯片容量可擴(kuò)展，HBM 還可以通過 4 層、8 層以至 12 層堆疊的 DRAM 芯片，此外 HBM 可以通過 SiP 集成多個 HBM 疊層 DRAM 芯片等方法，實現(xiàn)更大的內(nèi)存容量。

HBM 內(nèi)存通常用于高性能顯卡、GPU 加速器以及需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅苡嬎銘?yīng)用中。

從功耗角度來看，由于采用了 TSV 和微凸塊技術(shù)，DRAM 裸片與處理器間實現(xiàn)了較短的信號傳輸路徑以及較低的單引腳 I/O 速度和 I/O 電壓，使 HBM 具備更好的內(nèi)存功耗能效特性。以 DDR3 存儲器歸一化單引腳 I/O 帶寬功耗比為基準(zhǔn)，HBM2 的 I/O 功耗比明顯低于 DDR3、DDR4 和 GDDR5 存儲器，相對于 GDDR5 存儲器，HBM2 的單引腳 I/O 帶寬功耗比數(shù)值降低 42%。

在系統(tǒng)集成方面，HBM 將原本在 PCB 板上的 DDR 內(nèi)存顆粒和 CPU 芯片全部集成到 SiP 里，因此 HBM 在節(jié)省產(chǎn)品空間方面也更具優(yōu)勢。相對于 GDDR5 存儲器，HBM2 節(jié)省了 94% 的芯片面積。

三大原廠的研發(fā)歷程

目前的 HBM 市場主要以 SK 海力士、三星和美光三家公司為主。

2014 年，SK 海力士與 AMD 聯(lián)合開發(fā)了全球首款硅通孔 HBM，至今已經(jīng)迭代升級了 4 代 HBM 產(chǎn)品，性能和容量持續(xù)提升。2020 年 SK 海力士宣布成功研發(fā)新一代 HBM2E；2021 年開發(fā)出全球第一款 HBM3；2022 年 HBM3 芯片供貨英偉達(dá)。2023 年 8 月，SK 海力士推出 HBM3E，11 月英偉達(dá)宣布 H200 將搭載 HBM3E。

可以說從 HBM1、HBM2E、HBM3、HBM3E，SK 海力士持續(xù)領(lǐng)先。2022 年 SK 海力士占據(jù) HBM 市場約 50% 的份額，三星占比 40%，美光占比 10%。

在很長一段時間內(nèi)，SK 海力士都是英偉達(dá) HBM 的獨家供應(yīng)商。2023 年 SK 海力士基本壟斷了 HBM3 供應(yīng)，今年其 HBM3 與 HBM3E 的訂單也已售罄。

三星是在 2016 年，開始宣布量產(chǎn) 4GB/8GB HBM2 DRAM；2018 年，宣布量產(chǎn)第二代 8GB HBM2；2020 年，推出 16GB HBM2E 產(chǎn)品；2021 年，三星開發(fā)出具有 AI 處理能力的 HBM-PIM；雖然三星的路線圖顯示 2022 年 HBM3 技術(shù)已經(jīng)量產(chǎn)，但實際上三星的 HBM3 在 2023 年底才正式完成驗證，這意味著在大量生產(chǎn)之前，市場還是由 SK 海力士壟斷。

再看美光，2020 年，美光宣布將開始提供 HBM2 內(nèi)存/顯存；2021 年，HBM2E 產(chǎn)品上市。為了改善自己在 HBM 市場中的被動地位，美光選擇了直接跳過第四代 HBM 即 HBM3，直接升級到了第五代，即 HBM3E。隨后在 2023 年 9 月，美光宣布推出 HBM3 Gen2（即 HBM3E），后續(xù)表示計劃于 2024 年初開始大批量發(fā)貨 HBM3 Gen2 內(nèi)存，同時透露英偉達(dá)是主要客戶之一。

HBM2e 過渡到 HBM3e

HBM 的概念的起飛與 AIGC 的火爆有直接關(guān)系。

AI 大模型的興起催生了海量算力需求，而數(shù)據(jù)處理量和傳輸速率大幅提升使得 AI 服務(wù)器對芯片內(nèi)存容量和傳輸帶寬提出更高要求。HBM 具備高帶寬、高容量、低延時和低功耗優(yōu)勢，目前已逐步成為 AI 服務(wù)器中 GPU 的搭載標(biāo)配。

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(kuò)展版本。

來源：山西證券

HBM 每一次更新迭代都會伴隨著處理速度的提高。引腳（Pin）數(shù)據(jù)傳輸速率為 1Gbps 的第一代 HBM，發(fā)展到其第五代產(chǎn)品 HBM3E，速率提高到了 8Gbps，即每秒可以處理 1.225TB 的數(shù)據(jù)。也就是說，下載一部長達(dá) 163 分鐘的全高清（Full-HD）電影（1TB）只需不到 1 秒鐘的時間。

當(dāng)然，存儲器的容量也在不斷加大。HBM2E 的最大容量為 16GB，目前，三星正在利用 EUV 光刻機(jī)來制造 24GB 容量的 HBM3 芯片，此外 8 層、12 層堆疊可在 HBM3E 上實現(xiàn) 36GB（業(yè)界最大）的容量，比 HBM3 高出 50%。

此前 SK 海力士、美光均已宣布推出 HBM3E 芯片，皆可實現(xiàn)超過 1TB/s 的帶寬。

根據(jù) TrendForce 集邦咨詢調(diào)查顯示，2023 年 HBM 市場主流為 HBM2e，包含 NVIDIA A100/A800、AMD MI200 以及多數(shù) CSPs 自研加速芯片皆以此規(guī)格設(shè)計。同時，為順應(yīng) AI 加速器芯片需求演進(jìn)，各原廠計劃于 2024 年推出新產(chǎn)品 HBM3e，預(yù)期 HBM3 與 HBM3e 將成為明年市場主流。

HBM3e 市場徹底被引爆

SK 海力士無疑是這波內(nèi)存熱潮中的最大受益者，截至 2023 年 12 月 31 日，SK 海力士在 2023 財年和第四季度的營收取得了顯著增長。特別是其主力產(chǎn)品 DDR5 DRAM 和 HBM3，在這一年的收入較去年上漲了 4 倍以上。

英偉達(dá)和 AMD 的下一代人工智能 GPU 預(yù)計將主要搭載 HBM3 內(nèi)存。例如，H100 是第一款支持 PCIe 5.0 標(biāo)準(zhǔn)的 GPU，也是第一款采用 HBM3 的 GPU，最多支持六顆 HBM3，帶寬為 3TB/s，是 A100 采用 HBM2E 的 1.5 倍，默認(rèn)顯存容量為 80GB。

2023 年 11 月英偉達(dá)發(fā)布了新一代 AI GPU 芯片 H200，以及搭載這款 GPU 的 AI 服務(wù)器平臺 HGX H200 等產(chǎn)品。這款 GPU 是 H100 的升級款，依舊采用 Hopper 架構(gòu)、臺積電 4nm 制程工藝，根據(jù)英偉達(dá)官網(wǎng)，H200 的 GPU 芯片沒有升級，核心數(shù)、頻率沒有變化，主要的升級便是首次搭載 HBM3e 顯存，并且容量從 80GB 提升至 141GB。

得益于新升級的 HBM3e 芯片，H200 的顯存帶寬可達(dá) 4.8TB/s，比 H100 的 3.35TB/s 提升了 43%。不過這遠(yuǎn)沒有達(dá)到 HBM3e 的上限，海外分析人士稱英偉達(dá)有意降低 HBM3e 的速度，以追求穩(wěn)定。如果與傳統(tǒng) x86 服務(wù)器相比，H200 的內(nèi)存性能最高可達(dá) 110 倍。

由于美光、SK 海力士等公司的 HBM3e 芯片需等到 2024 年才會發(fā)貨，因此英偉達(dá)表示 H200 產(chǎn)品預(yù)計將在 2024 年第二季度正式開售。

AMD 的 MI300 也搭配 HBM3，其中，MI300A 容量與前一代相同為 128GB，更高端 MI300X 則達(dá) 192GB，提升了 50%。AMD 稱，MI300X 提供的 HBM 密度最高是英偉達(dá) AI 芯片 H100 的 2.4 倍，其 HBM 帶寬最高是 H100 的 1.6 倍。這意味著，AMD 的芯片可以運行比英偉達(dá)芯片更大的模型。

與此同時，在 2023 年隨著 AI GPU 以及與 AI 相關(guān)的各類需求激增，HBM 價格也持續(xù)上漲。市場研究機(jī)構(gòu) Yolo Group 報告顯示，2023 年期間 HBM 內(nèi)存供需鏈發(fā)生了重大變化，生產(chǎn)水平和采用率同時大幅提高，使得 HBM 成為比人工智能熱潮之前更有價值的資源，2023 年 HBM 芯片的平均售價是傳統(tǒng) DRAM 內(nèi)存芯片的五倍。

在 HBM 盛行的當(dāng)下，沒有一家存儲廠商能夠忍住不分一杯羹。

三大原廠為之「瘋狂」

技術(shù)升級

三大原廠的研究進(jìn)展

SK 海力士在 SEMICON Korea 2024 上發(fā)布了一項重要公告，公布了其雄心勃勃的高帶寬存儲器路線圖。該公司副總裁 Kim Chun-hwan 透露，計劃在 2024 上半年開始量產(chǎn)先進(jìn)的 HBM3E，并強(qiáng)調(diào)向客戶交付 8 層堆疊樣品。

HBM3E 是 SK 海力士產(chǎn)品線的最新產(chǎn)品，可滿足日益增長的數(shù)據(jù)帶寬需求，在 6 堆棧配置中，每堆?？商峁?1.2 TB/s 和驚人的 7.2 TB/s 通信帶寬。Kim Chun-hwan 將這種進(jìn)步的緊迫性歸因于生成式人工智能的迅速崛起，預(yù)計將見證驚人的 35% 的復(fù)合年增長率（CAGR）。然而，他警告說，在不斷升級的客戶期望的推動下，半導(dǎo)體行業(yè)正在面臨「激烈的生存競爭」。

隨著制程工藝節(jié)點的縮小并接近其極限，半導(dǎo)體行業(yè)越來越關(guān)注下一代存儲器架構(gòu)和工藝，以釋放更高的性能。SK 海力士已經(jīng)啟動了 HBM4 的開發(fā)，計劃于 2025 年提供樣品，并于次年量產(chǎn)。

根據(jù)美光的信息，與前幾代 HBM 相比，HBM4 將采用更廣泛的 2048 位接口。導(dǎo)致每個堆棧的理論峰值內(nèi)存帶寬超過 1.5 TB/s。為了實現(xiàn)這些非凡的帶寬，在保持合理功耗的同時，HBM4 的目標(biāo)是大約 6GT/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。這種更寬的接口和更快的速度將使 HBM4 能夠突破內(nèi)存帶寬的界限，滿足日益增長的高性能計算和 AI 工作負(fù)載需求。

三星是半導(dǎo)體行業(yè)的主要參與者，該公司也有 HBM4 的發(fā)布時間表，計劃于 2025 年提供樣品，并于 2026 年量產(chǎn)。三星高管 Jaejune Kim 透露，該公司的 HBM 產(chǎn)量的一半以上已經(jīng)由專業(yè)產(chǎn)品組成。定制 HBM 解決方案的趨勢預(yù)計將加劇。通過邏輯集成，量身定制的選項對于滿足個性化客戶需求至關(guān)重要，從而鞏固了市場地位。

隨著 HBM3E 的發(fā)布和 HBM4 的準(zhǔn)備，SK 海力士和三星正在為未來的挑戰(zhàn)做準(zhǔn)備，旨在保持其在 HBM 技術(shù)前沿的地位。不僅如此，全球前三大存儲芯片制造商正將更多產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至生產(chǎn) HBM，但由于調(diào)整產(chǎn)能需要時間，很難迅速增加 HBM 產(chǎn)量，預(yù)計未來兩年 HBM 供應(yīng)仍將緊張。

擴(kuò)產(chǎn)情況

再看三大原廠的擴(kuò)產(chǎn)情況。據(jù)悉，SK 海力士將擴(kuò)大其高帶寬內(nèi)存生產(chǎn)設(shè)施投資，以應(yīng)對高性能 AI 產(chǎn)品需求的增加。

去年 6 月有媒體報道稱，SK 海力士正在準(zhǔn)備投資后段工藝設(shè)備，將擴(kuò)建封裝 HBM3 的利川工廠，預(yù)計到今年年末，該廠后段工藝設(shè)備規(guī)模將增加近一倍。

此外，SK 海力士還將在美國印第安納州建造一座最先進(jìn)的制造工廠，據(jù)兩位接受英國《金融時報》采訪的消息人士透露，SK 海力士將在這家工廠生產(chǎn) HBM 堆棧，這些堆棧將用于臺積電生產(chǎn)的 Nvidia GPU，SK 集團(tuán)董事長表示，該工廠預(yù)計耗資 220 億美元。

三星電子和 SK 海力士之間的競爭正在升溫。三星電子從去年第四季度開始擴(kuò)大第四代 HBM 即 HBM3 的供應(yīng)，目前正進(jìn)入一個過渡期。負(fù)責(zé)三星美國半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的執(zhí)行副總裁 Han Jin-man 在今年 1 月表示，公司對包括 HBM 系列在內(nèi)的大容量存儲芯片寄予厚望，希望它能引領(lǐng)快速增長的人工智能芯片領(lǐng)域。他在 CES 2024 的媒體見面會上對記者說，「我們今年的 HBM 芯片產(chǎn)量將比去年提高 2.5 倍，明年還將繼續(xù)提高 2 倍。」

三星官方還透露，公司計劃在今年第四季度之前，將 HBM 的最高產(chǎn)量提高到每月 15 萬至 17 萬件，以此來爭奪 2024 年的 HBM 市場。此前三星電子斥資 105 億韓元收購了三星顯示位于韓國天安市的工廠和設(shè)備，以擴(kuò)大 HBM 產(chǎn)能，同時還計劃投資 7000 億至 1 萬億韓元新建封裝線。

為了縮小差距，美光對其下一代產(chǎn)品 HBM3E 下了很大的賭注，美光首席執(zhí)行官 Sanjay Mehrotra 表示：「我們正處于為英偉達(dá)下一代 AI 加速器提供 HBM3E 的驗證的最后階段。」其計劃于 2024 年初開始大批量發(fā)貨 HBM3E 內(nèi)存，同時強(qiáng)調(diào)其新產(chǎn)品受到了整個行業(yè)的極大興趣。據(jù)悉，美光科技位于中國臺灣地區(qū)的臺中四廠已于 2023 年 11 月初正式啟用。美光表示，臺中四廠將整合先進(jìn)探測與封裝測試功能，量產(chǎn) HBM3E 及其他產(chǎn)品，從而滿足人工智能、數(shù)據(jù)中心、邊緣計算及云端等各類應(yīng)用日益增長的需求。該公司計劃于 2024 年初開始大量出貨 HBM3E。

值得注意的是高階 HBM 的競爭才剛剛開始，雖然目前 HBM 產(chǎn)品占整體存儲的出貨量仍然非常小，長期來看，隨著消費電子產(chǎn)品向 AI 化發(fā)展，對于高算力、高存儲、低能耗將是主要訴求方向，鑒于此預(yù)計 HBM 也將成為未來存儲廠商的技術(shù)發(fā)展方向。