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(jìn)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(fù)載擴(kuò)大的 AI 計(jì)算推動(dòng)。到 2033 年，HBM 將占據(jù)整個(gè) DRAM 市場的一半以上。

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

當(dāng)下，存儲(chǔ)芯片巨頭主要有兩大行動(dòng)方向。一方面，對(duì) HBM 技術(shù)持續(xù)升級(jí)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(guān)注另一種形式的 HBM 產(chǎn)品。

HBM4，來了！

在 HBM 的技術(shù)升級(jí)中，SK 海力士總是那個(gè)「第一個(gè)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(dá) 36GB，帶寬達(dá) 2TB/s，運(yùn)行速度較 HBM3E 提升了 60% 以上。

SK 海力士強(qiáng)調(diào)，以引領(lǐng) HBM 市場的技術(shù)競爭力和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，能夠比原計(jì)劃提早實(shí)現(xiàn) 12 層 HBM4 的樣品出貨，并已開始與客戶的驗(yàn)證流程。公司將在下半年完成量產(chǎn)準(zhǔn)備，由此鞏固在面向 AI 的新一代存儲(chǔ)器市場領(lǐng)導(dǎo)地位。

日前還有報(bào)道稱，SK 海力士預(yù)計(jì)將獨(dú)家供應(yīng)英偉達(dá) Blackwell Ultra 架構(gòu)芯片第五代 12 層 HBM3E，預(yù)期與三星電子、美光的差距將進(jìn)一步拉大。

反觀競爭對(duì)手三星這邊，HBM3E 此前一直未能獲得英偉達(dá)品質(zhì)認(rèn)證，而最新消息則是三星新 HBM3E 在日前英偉達(dá)的審核中獲得令人滿意的評(píng)分，預(yù)計(jì)最快 6 月初通過英偉達(dá)等的品質(zhì)認(rèn)證。

除此之外，這些存儲(chǔ)龍頭還在一些新興 HBM 技術(shù)上下足功夫。

移動(dòng) HBM，存儲(chǔ)巨頭下場了！

本文要談到的第一種新興技術(shù)，被稱為移動(dòng) HBM。

移動(dòng) HBM，即 LPW DRAM，也被稱為低延遲寬 I/O (LLW)。該技術(shù)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(dòng) 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(dòng) HBM 是一個(gè)定制產(chǎn)品，反映了應(yīng)用程序和客戶的要求。由于移動(dòng) 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(duì)每個(gè)客戶的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

HBM 是在 DRAM 中鉆微孔，并用電極連接上下層。移動(dòng) 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(dòng) HBM 的潛力，但這兩家公司采取的技術(shù)路線各不相同。

三星開發(fā)「VCS」技術(shù)

三星正在開發(fā)名為「VCS」的技術(shù)，該技術(shù)將從晶圓上切割下來的 DRAM 芯片以臺(tái)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(jìn)封裝技術(shù)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(shù)生產(chǎn)效率提升 9 倍。

三星還為其新款 LPW DRAM 設(shè)定了高性能目標(biāo)，與其尖端移動(dòng)內(nèi)存 LPDDR5X 相比，新款 LPW DRAM 的 I/O 速度預(yù)計(jì)將提高 166%。這比每秒 200GB 更快，同時(shí)功耗降低了 54%。

三星電子半導(dǎo)體暨裝置解決方案（DS）部門首席技術(shù)官宋在赫表示，搭載 LPW DRAM 內(nèi)存的首款移動(dòng)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(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）客戶合作開發(fā) LPW DRAM，已確認(rèn)其中包括蘋果和三星電子的移動(dòng)體驗(yàn)（MX）業(yè)務(wù)部門。

SK 海力士開發(fā)「VFO」技術(shù)

SK 海力士正在開發(fā)名為「VFO」的技術(shù)，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(shí)現(xiàn)移動(dòng) DRAM 芯片的堆疊。

SK 海力士的 VFO 技術(shù)結(jié)合了 FOWLP（晶圓級(jí)封裝）和 DRAM 堆疊兩項(xiàng)技術(shù)，VFO 技術(shù)通過垂直連接，大幅縮短了電信號(hào)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(chǔ)巨頭紛紛看上移動(dòng) HBM 這一賽道，主要源于設(shè)備上 AI 需求的推動(dòng)，內(nèi)存公司正在轉(zhuǎn)向 LPW DRAM 的開發(fā)。由于預(yù)計(jì)繼服務(wù)器領(lǐng)域之后，移動(dòng)領(lǐng)域也將出現(xiàn)內(nèi)存瓶頸，因此計(jì)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(shù)，即 cHBM。

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

這個(gè)新型技術(shù)，由 Marvell 于去年 12 月推出。其與領(lǐng)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(lǐng)域，GPU 廣為人知，是備受矚目的存在。然而，鑒于部分場景對(duì)定制化算力芯片需求更為強(qiáng)烈，ASIC 芯片應(yīng)運(yùn)而生。

如今，這一理念，也延續(xù)到了 HBM 領(lǐng)域。

那么，定制 HBM 與常規(guī) HBM 有何不同？本文將用相對(duì)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(yùn)行的數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)高帶寬，節(jié)省功耗但成本較高，限制了其應(yīng)用范圍。

HBM 面臨的主要問題是容量限制，每個(gè)通道僅有一個(gè)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(huì)引發(fā)芯片邊緣空間限制、堆棧高度和經(jīng)濟(jì)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(gè)堆疊，且受標(biāo)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(duì)特定應(yīng)用量身打造介面與堆疊，目標(biāo)是減少標(biāo)準(zhǔn) HBM 介面在處理器內(nèi)部所占用的空間，釋放可用于運(yùn)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(guān)鍵組件，使用先進(jìn)的 2.5D 封裝技術(shù)和高速行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。然而，XPU 的擴(kuò)展受到當(dāng)前基于標(biāo)準(zhǔn)接口架構(gòu)的限制。全新的 Marvell cHBM 計(jì)算架構(gòu)引入定制接口，以優(yōu)化特定 XPU 設(shè)計(jì)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(yùn)算芯片旁多安裝 33%cHBM 存儲(chǔ)器封裝，增加處理器可用 DRAM 容量。預(yù)期可將存儲(chǔ)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(yù)期無緩沖存儲(chǔ)器的速度將達(dá) 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(chǔ)芯片之間的 I/O 介面，來增強(qiáng) XPU。

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

說簡單點(diǎn)，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(shí)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(shè)計(jì)。

關(guān)于應(yīng)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(yīng)用，其中成本和功耗是關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

• 在基于 AI/ML 的復(fù)雜計(jì)算場中使用，其中容量和吞吐量被推到極限。

HBM 的應(yīng)用場景，也在拓寬

除了技術(shù)的拓展，HBM 的應(yīng)用場景也在不斷拓寬。

如上文所述，移動(dòng) HBM 主要應(yīng)用于移動(dòng)終端等設(shè)備，而 Marvell 的 cHBM 則主要適配 AI 領(lǐng)域的特殊需求。除了這兩點(diǎn)，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(yīng)用并不是一個(gè)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(dòng)駕駛汽車，并強(qiáng)調(diào) SK 海力士是 Waymo 自動(dòng)駕駛汽車這項(xiàng)先進(jìn)內(nèi)存技術(shù)的獨(dú)家供應(yīng)商。

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

至于為什么汽車也要用上 HBM，筆者在此對(duì)汽車存儲(chǔ)的需求進(jìn)行分析。

在面對(duì)智能座艙、車載信息娛樂系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)日益火熱的當(dāng)下，車用存儲(chǔ)芯片涉及 NOR Flash、eMMC、UFS、LPDDR、SSD 等品類。其中對(duì)內(nèi)存的需求正在迅速擴(kuò)大，當(dāng)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(duì)存儲(chǔ)的全部需求。據(jù)測算，高端汽車在信息娛樂領(lǐng)域使用 24GB DRAM 和 64/128GB NAND，到 2028 年預(yù)計(jì) DRAM 容量將超過 64GB，NAND 將達(dá)到 1TB 左右；對(duì)于 ADAS，預(yù)計(jì)當(dāng)前 128GB DRAM 容量將增加到 384GB，NAND 將從 1TB 擴(kuò)大到 4TB。

除此之外，在智能駕駛等應(yīng)用場景的需求驅(qū)動(dòng)下，存儲(chǔ)系統(tǒng)的功能已超越了單純的數(shù)據(jù)保存。它還必須實(shí)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(jìn)行即時(shí)傳遞與處理。

畢竟只有實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，計(jì)算平臺(tái)才能及時(shí)對(duì)信息進(jìn)行分析與處理，進(jìn)而精準(zhǔn)控制車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等關(guān)鍵操作，保障智能駕駛的安全與流暢運(yùn)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(guān)注，蘋果、微軟、谷歌、亞馬遜、英偉達(dá)、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(shí)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(bào)道，為了應(yīng)對(duì)定制化 HBM 需求，三星針對(duì)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(xì)規(guī)格。

負(fù)責(zé) PKG 產(chǎn)品開發(fā)的副總裁 Lee Kyu-jae 表示，能在 HBM 市場占主導(dǎo)地位的最大動(dòng)力是在客戶需要的時(shí)間提供產(chǎn)品，公司計(jì)劃確?；旌湘I合等新技術(shù)的同時(shí)，不斷推進(jìn)先進(jìn)的 MR-MUF 技術(shù)。

Lee Kyu-jae 強(qiáng)調(diào)開發(fā)下一代封裝技術(shù)的重要性，必須針對(duì)定制化產(chǎn)品需求增加入行回應(yīng)，「預(yù)計(jì)今年下半年量產(chǎn) HBM4，我們考慮從先進(jìn)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(chǔ)的性質(zhì)，逐漸降低供過于求的風(fēng)險(xiǎn)。SK 海力士也將開發(fā)符合客戶需求的技術(shù)。

隨著 AI 興起，HBM 市場從「通用型市場」演進(jìn)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(tái)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。