HBM新技術，橫空出世

AI 的火熱，令 HBM 也成了緊俏貨。

業(yè)界各處都在喊：HBM 缺貨！HBM 增產(chǎn)！把 DDR4/DDR3 產(chǎn)線轉(zhuǎn)向生產(chǎn) DDR5/HBM 等先進產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)顯示，未來 HBM 市場將以每年 42% 的速度增長，將從 2023 年的 40 億美元增長到 2033 年的 1300 億美元，這主要受工作負載擴大的 AI 計算推動。到 2033 年，HBM 將占據(jù)整個 DRAM 市場的一半以上。

可即便行業(yè)全力增產(chǎn)，HBM 供應缺口仍然很大，芯片巨頭也急的「抓耳撓腮」。

當下，存儲芯片巨頭主要有兩大行動方向。一方面，對 HBM 技術持續(xù)升級并加大現(xiàn)有 HBM 產(chǎn)品的產(chǎn)量；另一方面，分出部分精力，關注另一種形式的 HBM 產(chǎn)品。

HBM4，來了！

在 HBM 的技術升級中，SK 海力士總是那個「第一個吃螃蟹的人」。

3 月 19 日，SK 海力士宣布推出面向 AI 的超高性能 DRAM 新產(chǎn)品 12 層（12Hi）HBM4 內(nèi)存，并在全球率先向主要客戶出樣了 12Hi HBM4。

SK 海力士在 12Hi HBM4 上采用了 24Gb DRAM 芯片，繼續(xù)使用了 Advanced MR-MUF 鍵合工藝，單封裝容量達 36GB，帶寬達 2TB/s，運行速度較 HBM3E 提升了 60% 以上。

SK 海力士強調(diào)，以引領 HBM 市場的技術競爭力和生產(chǎn)經(jīng)驗為基礎，能夠比原計劃提早實現(xiàn) 12 層 HBM4 的樣品出貨，并已開始與客戶的驗證流程。公司將在下半年完成量產(chǎn)準備，由此鞏固在面向 AI 的新一代存儲器市場領導地位。

日前還有報道稱，SK 海力士預計將獨家供應英偉達 Blackwell Ultra 架構芯片第五代 12 層 HBM3E，預期與三星電子、美光的差距將進一步拉大。

反觀競爭對手三星這邊，HBM3E 此前一直未能獲得英偉達品質(zhì)認證，而最新消息則是三星新 HBM3E 在日前英偉達的審核中獲得令人滿意的評分，預計最快 6 月初通過英偉達等的品質(zhì)認證。

除此之外，這些存儲龍頭還在一些新興 HBM 技術上下足功夫。

移動 HBM，存儲巨頭下場了！

本文要談到的第一種新興技術，被稱為移動 HBM。

移動 HBM，即 LPW DRAM，也被稱為低延遲寬 I/O (LLW)。該技術是堆疊和連接 LPDDR DRAM 來增加內(nèi)存帶寬，它與 HBM 類似，通過將常規(guī) DRAM 堆疊 8 層或 12 層來提高數(shù)據(jù)吞吐量，并具有低功耗的優(yōu)勢。

移動 HBM 和 LPDDR 最大的區(qū)別在于是否是「定制內(nèi)存」。LPDDR 是通用型產(chǎn)品，一旦量產(chǎn)即可批量使用；而移動 HBM 是一個定制產(chǎn)品，反映了應用程序和客戶的要求。由于移動 HBM 與處理器連接的引腳位置不同，因此在批量生產(chǎn)之前需要針對每個客戶的產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。

HBM 是在 DRAM 中鉆微孔，并用電極連接上下層。移動 HBM 具有相同的堆疊概念，但正在推廣一種將其堆疊在樓梯中，然后用垂直電線將其連接到基板的方法。

三星和 SK 海力士均看中了移動 HBM 的潛力，但這兩家公司采取的技術路線各不相同。

三星開發(fā)「VCS」技術

三星正在開發(fā)名為「VCS」的技術，該技術將從晶圓上切割下來的 DRAM 芯片以臺階形狀堆疊起來，用環(huán)氧材料使其硬化，然后在其上鉆孔并用銅填充。堆疊形式可參照下圖右下角的呈現(xiàn)。

三星表示，VCS 先進封裝技術相較于傳統(tǒng)引線鍵合，I/O 密度和帶寬分別提升 8 倍和 2.6 倍；相比 VWB 垂直引線鍵合，VCS 技術生產(chǎn)效率提升 9 倍。

三星還為其新款 LPW DRAM 設定了高性能目標，與其尖端移動內(nèi)存 LPDDR5X 相比，新款 LPW DRAM 的 I/O 速度預計將提高 166%。這比每秒 200GB 更快，同時功耗降低了 54%。

三星電子半導體暨裝置解決方案（DS）部門首席技術官宋在赫表示，搭載 LPW DRAM 內(nèi)存的首款移動產(chǎn)品將在 2028 年上市。

近日，有業(yè)內(nèi)人士表示，三星電子目前正與多個系統(tǒng)級芯片（SoC）客戶合作開發(fā) LPW DRAM，已確認其中包括蘋果和三星電子的移動體驗（MX）業(yè)務部門。

SK 海力士開發(fā)「VFO」技術

SK 海力士正在開發(fā)名為「VFO」的技術，與三星的 VCS 不同，SK 海力士選擇的是銅線而非銅柱。DRAM 以階梯式方式堆疊，并通過垂直柱狀線/重新分布層連接到基板。堆疊形式可參照下圖。

它在連接元件和工藝順序方面與三星電子也不同，它使用銅線連接堆疊的 DRAM，然后將環(huán)氧樹脂注入空白處以使其硬化，來實現(xiàn)移動 DRAM 芯片的堆疊。

SK 海力士的 VFO 技術結(jié)合了 FOWLP（晶圓級封裝）和 DRAM 堆疊兩項技術，VFO 技術通過垂直連接，大幅縮短了電信號在多層 DRAM 間的傳輸路徑，將線路長度縮短至傳統(tǒng)內(nèi)存的 1/4 以下，將能效提高 4.9%。這種方式雖然增加了 1.4% 的散熱量，但是封裝厚度卻減少了 27%。

至于為什么兩大存儲巨頭紛紛看上移動 HBM 這一賽道，主要源于設備上 AI 需求的推動，內(nèi)存公司正在轉(zhuǎn)向 LPW DRAM 的開發(fā)。由于預計繼服務器領域之后，移動領域也將出現(xiàn)內(nèi)存瓶頸，因此計劃積極推出高性能 DRAM。

cHBM，橫空出世

本文要談到的第二種新興技術，即 cHBM。

cHBM，即 Custom HBM，也就是定制高帶寬內(nèi)存。其實上文提到的移動 HBM 也屬于 cHBM 的一種。

這個新型技術，由 Marvell 于去年 12 月推出。其與領先的內(nèi)存制造商，如美光、三星和 SK 海力士等合作開發(fā)。

在 AI 算力芯片領域，GPU 廣為人知，是備受矚目的存在。然而，鑒于部分場景對定制化算力芯片需求更為強烈，ASIC 芯片應運而生。

如今，這一理念，也延續(xù)到了 HBM 領域。

那么，定制 HBM 與常規(guī) HBM 有何不同？本文將用相對直白的闡述做一下介紹。

首先我們先來看一下常規(guī)的 HBM。據(jù)悉，HBM 已存在十多年，最初用于 AMD GPU 和 Xilinx FPGA，通過 1024 條以合理速度運行的數(shù)據(jù)線實現(xiàn)高帶寬，節(jié)省功耗但成本較高，限制了其應用范圍。

HBM 面臨的主要問題是容量限制，每個通道僅有一個堆棧，容量在 HBM3 之前有限，HBM4 雖有所增加，但根本問題在于 DRAM 密度和堆疊成本。

眾所周知，HBM 的原理像是利用 DRAM 在疊高高，這種辦法成本高昂，并且增加堆棧數(shù)量雖可部分解決容量問題，但會引發(fā)芯片邊緣空間限制、堆棧高度和經(jīng)濟可行性等一系列新問題。由于引腳和走線需求，HBM 堆疊數(shù)量受芯片邊緣長度限制，通常每側(cè)最多 3-4 個堆疊，且受標線極限（約 800mm2）制約。

因此，盡管 HBM 有其優(yōu)勢，但在容量和堆疊數(shù)量上仍面臨挑戰(zhàn)。

那么，cHBM 帶來了什么呢？

Marvell 的 cHBM 解決方案針對特定應用量身打造介面與堆疊，目標是減少標準 HBM 介面在處理器內(nèi)部所占用的空間，釋放可用于運算和功能的空間。

在接口方面，可見下圖，HBM 是集成在 XPU 中的關鍵組件，使用先進的 2.5D 封裝技術和高速行業(yè)標準接口。然而，XPU 的擴展受到當前基于標準接口架構的限制。全新的 Marvell cHBM 計算架構引入定制接口，以優(yōu)化特定 XPU 設計的性能、功耗、芯片尺寸和成本。

在性能提升方面，借由專屬 D2D（die-to-die）I/O，不僅能在定制化 XPU 中多裝 25% 邏輯芯片，也可在運算芯片旁多安裝 33%cHBM 存儲器封裝，增加處理器可用 DRAM 容量。預期可將存儲器介面功耗降低 70%。

在帶寬增加方面，新 Marvell D2D HBM 介面將擁有 20 Tbps/mm（每毫米 2.5TB/s）頻寬，比目前 HBM 提供的 5Tbps/mm（每毫米 625GB/s）多。此外，預期無緩沖存儲器的速度將達 50Tbps/mm（每毫米 6.25TB/s）。Marvell 沒透露 cHBM 介面的寬度及更多信息，僅表示通過序列化（serializing）與加速內(nèi)部 AI 加速器芯片與 HBM 基礎芯片之間的 I/O 介面，來增強 XPU。

在硬件設計方面，由于 cHBM 并不依賴 JEDEC 標準，因此硬件部分需要全新的控制器和定制化實體介面、全新的 D2D 介面及改良的 HBM 基本芯片。與業(yè)界標準 HBM3E 或 HBM4 解決方案相比，cHBM 介面寬度較窄。

說簡單點，也就是 cHBM 可提供定制化接口以減少處理器內(nèi)部空間占用，實現(xiàn)更高芯片裝載量、更低功耗、更高帶寬，并具備全新硬件設計。

關于應用，cHBM 的靈活性可以在不同類型的場景中帶來利好：

• 云提供商將其用于邊緣 AI 應用，其中成本和功耗是關鍵標準。

• 在基于 AI/ML 的復雜計算場中使用，其中容量和吞吐量被推到極限。

HBM 的應用場景，也在拓寬

除了技術的拓展，HBM 的應用場景也在不斷拓寬。

如上文所述，移動 HBM 主要應用于移動終端等設備，而 Marvell 的 cHBM 則主要適配 AI 領域的特殊需求。除了這兩點，HBM 產(chǎn)品還有這樣一種場景吸引人的注意力。即：HBM 上車。

HBM 在汽車中應用并不是一個新故事。

日前，SK 海力士副總裁 Kang Wook-sung 透露，SK 海力士 HBM2E 正用于 Waymo 自動駕駛汽車，并強調(diào) SK 海力士是 Waymo 自動駕駛汽車這項先進內(nèi)存技術的獨家供應商。

據(jù)悉，SK 海力士的車規(guī)級 HBM2E 產(chǎn)品展現(xiàn)了卓越性能：容量高達 8GB，傳輸速度達到 3.2Gbps，實現(xiàn)了驚人的 410GB/s 帶寬，為行業(yè)樹立了新標桿。以此為契機，SK 海力士正積極拓展與 NVIDIA、Tesla 等自動駕駛領域解決方案巨頭的合作網(wǎng)絡。

至于為什么汽車也要用上 HBM，筆者在此對汽車存儲的需求進行分析。

在面對智能座艙、車載信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)日益火熱的當下，車用存儲芯片涉及 NOR Flash、eMMC、UFS、LPDDR、SSD 等品類。其中對內(nèi)存的需求正在迅速擴大，當前主要產(chǎn)品是 LPDDR，以 LPDDR4 和 LPDDR5 為最多。

未來，只靠這些難以滿足汽車對存儲的全部需求。據(jù)測算，高端汽車在信息娛樂領域使用 24GB DRAM 和 64/128GB NAND，到 2028 年預計 DRAM 容量將超過 64GB，NAND 將達到 1TB 左右；對于 ADAS，預計當前 128GB DRAM 容量將增加到 384GB，NAND 將從 1TB 擴大到 4TB。

除此之外，在智能駕駛等應用場景的需求驅(qū)動下，存儲系統(tǒng)的功能已超越了單純的數(shù)據(jù)保存。它還必須實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)交換，例如，能夠迅速地將搜集到的各類信息進行即時傳遞與處理。

畢竟只有實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，計算平臺才能及時對信息進行分析與處理，進而精準控制車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等關鍵操作，保障智能駕駛的安全與流暢運行。

SK 海力士副總裁 Ryu Seong-su 透露，公司的 HBM 正受到全球企業(yè)的高度關注，蘋果、微軟、谷歌、亞馬遜、英偉達、Meta 和特斯拉等七巨頭都向 SK 海力士提出了定制 HBM 解決方案的要求。

定制 HBM，成為潮流

日前，三星在芯片代工論壇中提到，將從 HBM4 開始實現(xiàn)客戶定制化產(chǎn)品。業(yè)界消息人士透露，三星電子和 SK 海力士都在加速拓展「定制化內(nèi)存」市場，即按照客戶所需形式制造和交貨 HBM。

據(jù)報道，為了應對定制化 HBM 需求，三星針對每位客戶性能需求開發(fā)優(yōu)化產(chǎn)品，目前正與多家客戶討論詳細規(guī)格。

負責 PKG 產(chǎn)品開發(fā)的副總裁 Lee Kyu-jae 表示，能在 HBM 市場占主導地位的最大動力是在客戶需要的時間提供產(chǎn)品，公司計劃確?；旌湘I合等新技術的同時，不斷推進先進的 MR-MUF 技術。

Lee Kyu-jae 強調(diào)開發(fā)下一代封裝技術的重要性，必須針對定制化產(chǎn)品需求增加入行回應，「預計今年下半年量產(chǎn) HBM4，我們考慮從先進的 MR-MUF 和下一代混合鍵合方法」。

定制化 HBM 可能是解決內(nèi)存市場供過于求疑慮的新解決方案。郭魯正指出，隨著公司超越 HBM4，定制化需求將增加，成為全球趨勢，并轉(zhuǎn)向以合約為基礎的性質(zhì)，逐漸降低供過于求的風險。SK 海力士也將開發(fā)符合客戶需求的技術。

隨著 AI 興起，HBM 市場從「通用型市場」演進為「客戶定制化市場」，不管是三星在芯片代工論壇的發(fā)言，還是 SK 海力士與臺積電合作，都凸顯出為滿足客戶特定需求的策略。轉(zhuǎn)為定制化不僅解決供過于求問題，生產(chǎn)也能與客戶需求保持一致，確保 HBM 市場能更穩(wěn)定發(fā)展。