巨頭搶奪戰(zhàn)，HBM被徹底引爆

在英偉達(dá)一步步站穩(wěn)萬(wàn)億市值腳根的道路上，少不了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)支持，其中之一是由臺(tái)積電主導(dǎo)的 CoWoS 先進(jìn)封裝，另一個(gè)便是席卷當(dāng)下的 HBM（高帶寬存儲(chǔ)）。

英偉達(dá) H200 是首次采用 HBM3E 存儲(chǔ)器規(guī)格的 AI 加速卡。借助內(nèi)存速度更快、容量更大的 HBM3e，英偉達(dá) H200 以每秒 4.8TB 的速度提供 141GB 的內(nèi)存，與 A100 相比，容量幾乎是其兩倍，帶寬也提升了 43%，從而加速生成式 AI 和大語(yǔ)言模型，提高高性能計(jì)算（HPC）的工作負(fù)載。

隨著人工智能的興起，HBM 成為巨頭們搶占的高地。三星、SK 海力士、美光等存儲(chǔ)巨頭紛紛將 HBM 視為重點(diǎn)生產(chǎn)產(chǎn)品之一。

HBM 的火熱，給市場(chǎng)掀起巨大波瀾。一起看看 HBM 這股熱潮給市場(chǎng)帶來(lái)了哪些轉(zhuǎn)折？

HBM 走紅，帶來(lái)三大影響

HBM 成為力挽行業(yè)下行的關(guān)鍵詞之一

數(shù)個(gè)季度的持續(xù)低迷下，頭部存儲(chǔ)廠商相繼展現(xiàn)出季度收入環(huán)比增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中以 SK 海力士的表現(xiàn)最為亮眼，背后就離不開(kāi)由 HBM 拉動(dòng)對(duì) DRAM 的需求提升。

今年 Q1，SK 海力士收入創(chuàng)歷史同期新高，營(yíng)業(yè)利潤(rùn)也創(chuàng)下了市況最佳的 2018 年以來(lái)同期第二高，公司將其視為擺脫了長(zhǎng)時(shí)間的低迷期，開(kāi)始轉(zhuǎn)向了全面復(fù)蘇期。SK 海力士表示：「憑借 HBM 等面向 AI 的存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力，公司提升了面向 AI 服務(wù)器的產(chǎn)品銷(xiāo)量，同時(shí)持續(xù)實(shí)施以盈利為主的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了營(yíng)業(yè)利潤(rùn)環(huán)比增長(zhǎng) 734% 的業(yè)績(jī)?！?/p>

三星電子曾表示生成式 AI 市場(chǎng)應(yīng)用將帶來(lái) HBM 等支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的內(nèi)存產(chǎn)品需求快速增長(zhǎng)，公司接到了大量客戶需求。預(yù)計(jì) 2024 年 HBM 的需求可能出現(xiàn)陡峭增長(zhǎng)。

美光表示，AI 服務(wù)器的 DRAM 容量是普通服務(wù)器的 6 倍到 8 倍，NAND 容量是普通服務(wù)器的 3 倍。英偉達(dá) DGX GH200 所需的 DRAM 容量是普通服務(wù)器的數(shù)百倍。

通用 DRAM 恐缺貨漲價(jià)

通用型 DRAM 內(nèi)存芯片面臨的供應(yīng)短缺，主要源于業(yè)界對(duì) HBM 等類(lèi)型的 DRAM 進(jìn)行了大量的投資，而通用型 DRAM 的產(chǎn)能利用率相對(duì)較低。目前，三星和 SK 海力士的產(chǎn)能利用率僅為 80% 到 90%，遠(yuǎn)低于 NAND 閃存的全速生產(chǎn)狀態(tài)。

自 2024 年初以來(lái)，通用型 DRAM 的產(chǎn)能僅提升了大約 10%，但智能手機(jī)、PC 和服務(wù)器市場(chǎng)的增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)僅為 2% 到 3%。全球云計(jì)算和科技公司在 AI 基礎(chǔ)設(shè)施上的投資削減，并未能顯著推動(dòng) DRAM 需求的復(fù)蘇。

然而，在同一時(shí)期內(nèi)，企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤(pán)（eSSD）的需求卻因人工智能的普及而激增。因此，三星、SK 海力士等主要制造商在第二季度滿負(fù)荷運(yùn)行其 NAND 生產(chǎn)線。此外，鎧俠也在市場(chǎng)條件改善后結(jié)束了減產(chǎn)，NAND 產(chǎn)能利用率恢復(fù)至 100%。

由于通用 DRAM 內(nèi)存芯片在消費(fèi)市場(chǎng)，如個(gè)人電腦和移動(dòng)終端等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，而隨著市場(chǎng)需求的放大，可能會(huì)出現(xiàn)大范圍的短缺。根據(jù)摩根士丹利最新報(bào)告，全球內(nèi)存市場(chǎng)在 2025 年將迎來(lái)一次前所未有的供需失衡，2025 年 HBM 的供應(yīng)不足率將達(dá)到-11%，而整個(gè) DRAM 市場(chǎng)的供應(yīng)不足率將高達(dá)-23%。

爭(zhēng)奪戰(zhàn)，不只是技術(shù)

存儲(chǔ)巨頭在 HBM 技術(shù)領(lǐng)域的爭(zhēng)奪戰(zhàn)日益激烈，從 HBM1 到 HBM2、HBM3，再到最新的 HBM3e，每一代技術(shù)的演進(jìn)都標(biāo)志著存儲(chǔ)性能的顯著提升和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇。

HBM1 最早于 2014 年由 AMD 與 SK 海力士共同推出，作為 GDDR 競(jìng)品，為 4 層 die 堆疊，提供 128GB/s 帶寬，4GB 內(nèi)存，顯著優(yōu)于同期 GDDR5。

HBM2 于 2016 年發(fā)布，2018 年正式推出，為 4 層 DRAMdie，現(xiàn)在多為 8 層 die，提供 256GB/s 帶寬，2.4Gbps 傳輸速度，和 8GB 內(nèi)存。

HBM2E 于 2018 年發(fā)布，于 2020 年正式提出，在傳輸速度和內(nèi)存等方面均有較大提升，提供 3.6Gbps 傳輸速度，和 16GB 內(nèi)存。

HBM3 于 2020 年發(fā)布，2022 年正式推出，堆疊層數(shù)及管理通道數(shù)均有增加，提供 6.4Gbps 傳輸速度，傳輸速度最高可達(dá) 819GB/s，和 16GB 內(nèi)存。

HBM3E 由 SK 海力士發(fā)布 HBM3 的增強(qiáng)版，提供高達(dá) 8Gbps 的傳輸速度，24GB 容量，2024 年開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)。

然而這不僅僅是一場(chǎng)單純的技術(shù)較量，更是一場(chǎng)激烈無(wú)比的產(chǎn)能競(jìng)賽。

根據(jù)存儲(chǔ)三巨頭表示，今年的 HBM 供應(yīng)能力已全部耗盡，明年的產(chǎn)能也已經(jīng)大部分售罄。據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)分析，今明兩年 HBM 需求的動(dòng)態(tài)缺口約為產(chǎn)能的 5.5% 和 3.5%。因此，三大廠商紛紛開(kāi)啟產(chǎn)能沖刺競(jìng)賽。比如 SK 海力士正在大幅擴(kuò)產(chǎn)第 5 代 1b DRAM，以應(yīng)對(duì) HBM 與 DDR5 DRAM 的需求增加。按照晶圓投入量看，公司計(jì)劃將 1b DRAM 月產(chǎn)能從今年一季度的 1 萬(wàn)片增加到年末的 9 萬(wàn)片，到明年上半年進(jìn)一步提升至 14 萬(wàn)-15 萬(wàn)片，是今年一季度產(chǎn)能的 14-15 倍。三星 3 月底曾表示，預(yù)計(jì)今年 HBM 產(chǎn)能將增至去年的 2.9 倍。美光正在美國(guó)建設(shè)先進(jìn)的 HBM 測(cè)試生產(chǎn)線，并考慮首次在馬來(lái)西亞生產(chǎn) HBM，以抓住 AI 熱潮帶來(lái)的更多需求。

相比 GDDR，HBM 強(qiáng)在哪兒？

根據(jù)產(chǎn)品分類(lèi)，DRAM 可以分為 DDR、LPDDR、GDDR、HBM。前三類(lèi)產(chǎn)品主要用于傳統(tǒng)周期領(lǐng)域，HBM 則主要是 AI 市場(chǎng)的帶動(dòng)。其中 DDR 主要用于消費(fèi)電子、服務(wù)器、PC 領(lǐng)域；LPDDR 主要用于移動(dòng)設(shè)備、手機(jī)及汽車(chē)領(lǐng)域；GDDR 主要用于圖像處理方面的 GPU 等。

隨著數(shù)據(jù)量越發(fā)龐大加之 AI 芯片的加速發(fā)展，馮氏計(jì)算架構(gòu)問(wèn)題凸顯：「存」「算」之間性能失配，使得計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力增長(zhǎng)遇到瓶頸，雖然多核并行加速技術(shù)可以提高算力，但存儲(chǔ)帶寬的限制仍對(duì)計(jì)算系統(tǒng)的算力提升產(chǎn)生了制約。GDDR 是目前應(yīng)用較為廣泛的顯存技術(shù)，但在 AI 計(jì)算領(lǐng)域 GDDR 也難堪重任，于是制造商將目光投向 HBM 技術(shù)。

HBM 具備高帶寬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)多層堆疊，HBM 能達(dá)到更高的 I/O 數(shù)量，使得顯存位寬達(dá)到 1024 位，幾乎是 GDDR 的 32 倍，顯存帶寬顯著提升。顯存帶寬顯著提升解決了過(guò)去 AI 計(jì)算「內(nèi)存墻」的問(wèn)題，HBM 逐步提高在中高端數(shù)據(jù)中心 GPU 中的滲透比率。

HBM 具備高密度、小體積等優(yōu)勢(shì)。相比傳統(tǒng) DRAM，HBM 在相同的物理空間內(nèi)能夠容納更多的存儲(chǔ)單元，從而提供更高的存儲(chǔ)容量。這對(duì)于存儲(chǔ)千億參數(shù)乃至更大規(guī)模的大模型至關(guān)重要。此外，HBM 通過(guò) 3D 封裝工藝實(shí)現(xiàn) DRAM die 的垂直方向堆疊封裝，可以較大程度節(jié)約存儲(chǔ)芯片在片上占據(jù)的面積。HBM 芯片的尺寸比傳統(tǒng)的 DDR4 芯片小 20%，比 GDDR5 芯片節(jié)省了 94% 的表面積。根據(jù)三星電子的統(tǒng)計(jì)，3D TSV 工藝較傳統(tǒng) POP 封裝形式節(jié)省了 35% 的封裝尺寸。

受構(gòu)造影響，GDDR 的總帶寬上限低于 HBM。總帶寬=I/O 數(shù)據(jù)速率（Gb/s）*位寬/8。為解決 DDR 帶寬較低的問(wèn)題，本質(zhì)上需要對(duì)單 I/O 的數(shù)據(jù)速率和位寬（I/O 數(shù)*單 I/O 位寬）進(jìn)行提升，可分為 GDDR 單體式方案和 HBM 堆疊式方案。單體式 GDDR 采取大幅提升單 I/O 數(shù)據(jù)速率的手段來(lái)改善總帶寬，GDDR5 和 GDDR6 的單 I/O 數(shù)據(jù)速率已達(dá)到 7 Gb/s 到 16Gb/s，超過(guò) HBM3 的 6.4 Gb/s。HBM 利用 TSV 技術(shù)提升 I/O 數(shù)和單 I/O 位寬，從而大幅提升位寬，雖然維持較低的單 I/O 數(shù)據(jù)速率，但總帶寬遠(yuǎn)優(yōu)于 GDDR。

HBM 的綜合功耗也低于 GDDR。HBM 通過(guò)增加 I/O 引腳數(shù)量來(lái)降低總線頻率，從而實(shí)現(xiàn)更低的功耗。盡管片上分布的大量緩存能提供足夠的計(jì)算帶寬，但由于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和工藝制約，片上緩存占用了大部分的芯片面積（通常為 1/3 至 2/3），限制了算力提升。

如今，HBM 已經(jīng)成為超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心等核心設(shè)施中不可或缺的關(guān)鍵組件，為大規(guī)模并行計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)的內(nèi)存基礎(chǔ)。尤其在圖形處理領(lǐng)域，HBM 的高帶寬特性使得 GPU 能夠更快速地訪問(wèn)和處理圖像數(shù)據(jù)，從而為用戶帶來(lái)更加流暢、逼真的視覺(jué)體驗(yàn)。

即便是業(yè)界領(lǐng)先的英偉達(dá)，也對(duì)這一產(chǎn)品展現(xiàn)出了高度的依賴性。據(jù)悉，英偉達(dá)近幾年發(fā)布的多款旗艦產(chǎn)品（如 A100、H100、H200）均搭配了不同數(shù)量的 HBM。HBM 已然是英偉達(dá) AI 芯片的必備搭檔。然而全球約九成的 HBM 市場(chǎng)被 SK 海力士和三星兩家韓系企業(yè)壟斷。

2024 年末，HBM 是持續(xù)短缺？還是供過(guò)于求？

在存儲(chǔ)三巨頭的競(jìng)爭(zhēng)中，由于海力士 HBM3 產(chǎn)品性能領(lǐng)先，率先拿下英偉達(dá)訂單，成為其服務(wù)器 GPU 的主要供應(yīng)商。

三星主攻一些云端客戶的訂單，美光則直接跳過(guò)了 HBM3，將主要精力放在了 HBM3E 產(chǎn)品上。僅從當(dāng)下來(lái)看，美光的市場(chǎng)占有率和前面兩個(gè)玩家有一些差距。

但不管怎樣，三位存儲(chǔ)芯片的大佬都在擴(kuò)產(chǎn)能上不留余力。比如海力士已經(jīng)放下豪言壯語(yǔ)，計(jì)劃到 2028 年投資高達(dá) 748 億美元，其中 80% 將用于 HBM 的研發(fā)和生產(chǎn)，而且將下一代 HBM4 芯片的量產(chǎn)時(shí)間提前到 2025 年。

據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)分析，今明兩年 HBM 需求的動(dòng)態(tài)缺口約為產(chǎn)能的 5.5% 和 3.5%。

不過(guò)根據(jù)海豚投研的數(shù)據(jù)顯示，HBM 有望從 2023 年末的「供不應(yīng)求」轉(zhuǎn)為 2024 年末的「供大于求」。

海豚投研比較了 2023—2024 年 HBM 的供需關(guān)系情況。 從需求端來(lái)看，結(jié)合云服務(wù)廠商的資本開(kāi)支和 AI 出貨量情況，市場(chǎng)對(duì) HBM 的需求有望從 2023 年的 284MGB 提升至 512MGB； 從供給端來(lái)看，結(jié)合存儲(chǔ)主流廠商的產(chǎn)能計(jì)劃，HBM 的供給端更可能從 2023 年的 147MGB 快速提升至 1000MGB 以上。

在此供需關(guān)系中，2023 年供給端僅能滿足需求的 1/2，嚴(yán)重供不應(yīng)求。供不應(yīng)求的局面，推動(dòng)各家廠商大幅提升產(chǎn)能計(jì)劃。如果產(chǎn)能規(guī)劃如實(shí)落地，2024 年的 HBM 供需關(guān)系可能會(huì)出現(xiàn)明顯反轉(zhuǎn)，供給端反而會(huì)超出整體的市場(chǎng)需求。

對(duì)于 HBM 的價(jià)格，當(dāng)前由于供給仍相對(duì)緊張，因此整體價(jià)格在 2024 年將有所上漲。但隨著三星產(chǎn)品通過(guò)認(rèn)證和產(chǎn)能端的釋放，HBM 的產(chǎn)品價(jià)格也可能出現(xiàn)回落。

國(guó)產(chǎn)廠商加速突破

隨著 AIGC 技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，AI 服務(wù)器和高端 GPU 的需求持續(xù)增長(zhǎng)，將進(jìn)一步推動(dòng) HBM 市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)計(jì)，到 2025 年，中國(guó) HBM 的需求量規(guī)模有望超過(guò) 100 萬(wàn)顆。

而中國(guó)，在這一賽道還屬于后來(lái)者。

不久前，國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金三期橫空出世。大基金三期注冊(cè)資本高達(dá) 3440 億元，這一規(guī)模遠(yuǎn)超前兩期基金，顯示出國(guó)家對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的重視和大力支持。如此龐大的資金注入，無(wú)疑將為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

目前，大基金三期對(duì)外投資重點(diǎn)還未正式披露。據(jù)悉，大基金三期有望增加覆蓋人工智能芯片環(huán)節(jié)，在 HBM 產(chǎn)業(yè)鏈扶持大型晶圓廠。

今年 3 月，武漢新芯發(fā)布了《高帶寬存儲(chǔ)芯粒先進(jìn)封裝技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)》招標(biāo)項(xiàng)目，這一行動(dòng)標(biāo)志著該公司正式進(jìn)軍 HBM 市場(chǎng)。通過(guò)利用三維集成多晶圓堆疊技術(shù)，武漢新芯旨在打造更高容量、更大帶寬、更小功耗的存儲(chǔ)解決方案，以滿足市場(chǎng)對(duì)高性能存儲(chǔ)芯片的需求。面對(duì)海外大廠對(duì)于 HBM3E 的量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)廠商也在 HBM 技術(shù)上進(jìn)行著加速突破，有望在 AI 大浪潮的需求下提升競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

面對(duì)海外大廠對(duì)于 HBM3E 的量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)廠商也在 HBM 技術(shù)上進(jìn)行著加速突破，有望在 AI 大浪潮的需求下提升競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

封測(cè)龍頭長(zhǎng)電科技在投資者互動(dòng)中表示，其 XDFOI 高密度扇出封裝解決方案也同樣適用于 HBM 的 Chip to Wafer 和 Chip to Chip TSV 堆疊應(yīng)用；通富微電此前表示，南通通富工廠先進(jìn)封裝生產(chǎn)線建成后，公司將成為國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的 2.5D/3D 先進(jìn)封裝研發(fā)及量產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)在 HBM（高帶寬內(nèi)存）高性能封裝技術(shù)領(lǐng)域的突破，對(duì)于國(guó)家在集成電路封測(cè)領(lǐng)域具有重要意義。

中國(guó)主要的存儲(chǔ)芯片公司也在與封測(cè)廠商通富微電合作開(kāi)展 HBM 相關(guān)項(xiàng)目。

然而總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)廠商在 HBM 技術(shù)上的發(fā)展仍處于早期階段。盡管?chē)?guó)際上已經(jīng)有了更先進(jìn)的 HBM3 和 HBM3E 產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)廠商目前還處于 HBM2 的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段。

面對(duì)海外大廠在 HBM3E 等先進(jìn)技術(shù)上的量產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)廠商仍需加快追趕步伐，克服技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)從技術(shù)跟隨到技術(shù)引領(lǐng)的轉(zhuǎn)變。在此過(guò)程中，客戶對(duì)于 AI 服務(wù)器性能、內(nèi)存帶寬及內(nèi)存大小的持續(xù)高要求，既是對(duì) HBM 技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，也是推動(dòng)其不斷前行的動(dòng)力源泉。

值得注意的是，盡管 HBM 在帶寬性能上占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，但其高昂的成本與功耗也促使行業(yè)探索更多元化的解決方案。GDDR、LPDDR 等內(nèi)存技術(shù)的快速發(fā)展，為 AI 處理器提供了更多選擇，尤其是在成本、性能與功耗之間尋求最佳平衡點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景中。例如，GDDR7 的推出不僅顯著提升了內(nèi)存容量與數(shù)據(jù)傳輸率，還因其相對(duì)較低的復(fù)雜度成為部分 AI 應(yīng)用的理想之選。

綜上所述，隨著 AI 技術(shù)的不斷演進(jìn)與市場(chǎng)需求的日益多樣化，HBM 作為高性能存儲(chǔ)技術(shù)的代表，將繼續(xù)在特定領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)廠商需緊抓機(jī)遇，加速技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，以更加靈活多樣的內(nèi)存解決方案，滿足 AI 時(shí)代對(duì)高性能計(jì)算的多元化需求。