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作者：豐寧
HBM即高帶寬內(nèi)存，是一款新型的CPU/GPU內(nèi)存芯片。如果說傳統(tǒng)的DDR就是采用的"平房設(shè)計(jì)"方式，那么HBM則是采用"樓房設(shè)計(jì)"方式。
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)。
可以看到，HBM每一次更新迭代都會(huì)伴隨著處理速度的提高。HBM3自2022年1月誕生，便憑借其獨(dú)特的2.5D/3D內(nèi)存架構(gòu)，迅速成為高性能計(jì)算領(lǐng)域的翹楚。
HBM3不僅繼承了前代產(chǎn)品的優(yōu)秀特性，更在技術(shù)上取得了顯著的突破。它采用了高達(dá)1024位的數(shù)據(jù)路徑，并以驚人的6.4 Gb/s的速率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)819 Gb/s的帶寬，為高性能計(jì)算提供了強(qiáng)大的支持。
而今，SK海力士、美光等廠商將這一標(biāo)準(zhǔn)再度提升，HBM3E一經(jīng)問世便迅速贏得市場的熱烈追捧。
?01、三大存儲(chǔ)巨頭的HBM3E技術(shù)特點(diǎn)
HBM3E技術(shù)的主要引領(lǐng)者依然是美光、SK海力士與三星這三大巨頭，它們繼續(xù)在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，共同推動(dòng)著技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步。以下是這三大廠商在HBM3E技術(shù)方面的精彩呈現(xiàn)。
SK海力士-獨(dú)創(chuàng)的MR-MUF技術(shù)等
2023年8月21日，SK海力士宣布成功開發(fā)出面向AI的超高性能DRAM新產(chǎn)品HBM3E，并開始向客戶提供樣品進(jìn)行性能驗(yàn)證。據(jù)悉，SK海力士采用了先進(jìn)的MR-MUF（Molding with Rubberand UFP）技術(shù)，使得HBM3E的散熱性能比上一代產(chǎn)品提高10%。
這種技術(shù)通過在半導(dǎo)體芯片堆疊后的空間中注入液體形態(tài)的保護(hù)材料并進(jìn)行固化，與每堆疊一個(gè)芯片時(shí)鋪上薄膜型材料的方式相較，工藝效率更高，散熱方面也更加有效；其HBM3E的最高數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)每秒1.18TB（太字節(jié)），這意味著它能夠在極短的時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)。相當(dāng)于在1秒內(nèi)處理230部全高清（FHD）級(jí)別的電影。
另外，其HBM3E提供高達(dá)8Gbps的傳輸速度，這是相較于前一代HBM3的顯著提升。這種高速度對(duì)于需要快速數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場景，如高性能計(jì)算和人工智能，尤為重要。
美光-?1β、先進(jìn)的硅通孔（TSV）技術(shù)等
2023年9月，SK 海力士的 HBM3E 內(nèi)存迎來新競爭對(duì)手-美光。美光也利用其 1β（1-beta）技術(shù)、先進(jìn)的硅通孔（TSV）和其他實(shí)現(xiàn)差異化封裝解決方案的創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)出業(yè)界領(lǐng)先的 HBM3E 設(shè)計(jì)。
憑借其卓越的性能、出色的能效等優(yōu)勢(shì)，美光的HBM3E收獲內(nèi)存市場的諸多青睞。比如美光 HBM3E 引腳速率超過 9.2Gb/s，提供超過 1.2TB/s 的內(nèi)存帶寬，助力人工智能加速器、超級(jí)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)訪問；美光 HBM3E 目前提供 24 GB 容量，使數(shù)據(jù)中心能夠無縫擴(kuò)展其人工智能應(yīng)用。無論是用于訓(xùn)練海量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還是加速推理任務(wù)，美光的解決方案都提供了必要的內(nèi)存帶寬。
三星-先進(jìn)的熱壓非導(dǎo)電薄膜技術(shù)等
三星也一直在致力于提供更為優(yōu)秀的產(chǎn)品以滿足人工智能時(shí)代對(duì)高性能和大容量解決方案的更高要求。2023年10月21日，三星在其一年一度的“存儲(chǔ)器技術(shù)日”活動(dòng)中，發(fā)布了名為“Shinebolt”的新一代HBM3E DRAM。三星Shinebolt支持新一代AI應(yīng)用，可提高總體擁有成本，加速數(shù)據(jù)中心的AI模型訓(xùn)練和推理。HBM3E的每個(gè)引腳速度高達(dá)9.8Gbps，這意味著整體傳輸速率可超過1.2TBps。
為實(shí)現(xiàn)更高的堆疊層數(shù)并改善熱特性，三星優(yōu)化了非導(dǎo)電薄膜(NCF)技術(shù)，以消除芯片層之間的間隙并盡可能提高導(dǎo)熱性。2024年2月，三星成功發(fā)布其首款12層堆疊HBM3E DRAM——HBM3E 12H，這是三星目前為止容量最大的HBM產(chǎn)品。三星HBM3E 12H支持全天候最高帶寬達(dá)1280GB/s，產(chǎn)品容量也達(dá)到了36GB。相比三星8層堆疊的HBM3 8H，HBM3E 12H在帶寬和容量上大幅提升超過50%。
HBM3E 12H采用了先進(jìn)的熱壓非導(dǎo)電薄膜（TC NCF）技術(shù)，使得12層和8層堆疊產(chǎn)品的高度保持一致，以滿足當(dāng)前HBM封裝的要求。HBM3E 12H產(chǎn)品的垂直密度比其HBM3 8H產(chǎn)品提高了20%以上。三星先進(jìn)的熱壓非導(dǎo)電薄膜技術(shù)還通過允許在芯片之間使用不同尺寸的凸塊（bump）改善HBM的熱性能。
相比HBM3 8H，HBM3E 12H搭載于人工智能應(yīng)用后，預(yù)計(jì)人工智能訓(xùn)練平均速度可提升34%，同時(shí)推理服務(wù)用戶數(shù)量也可增加超過11.5倍。
?02、各家的量產(chǎn)進(jìn)度
2024年3月19日，SK海力士宣布，公司率先成功量產(chǎn)超高性能用于AI的存儲(chǔ)器新產(chǎn)品HBM3E，將在3月末開始向客戶供貨。SK海力士作為全球首家推出HBM3E的供應(yīng)商，自去年8月宣布開發(fā)計(jì)劃至今，僅用了短短七個(gè)月時(shí)間便實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。
據(jù)悉，SK海力士的首批HBM3E產(chǎn)品將按照預(yù)定計(jì)劃準(zhǔn)時(shí)交付給英偉達(dá)。2024 年 2 月 26 日，美光宣布開始量產(chǎn)其 HBM3E 高帶寬內(nèi)存解決方案。據(jù)悉，英偉達(dá) H200 Tensor Core GPU 將采用美光 8 層堆疊的 24GB 容量 HBM3E 內(nèi)存，并于 2024 年第二季度開始出貨。目前，三星已開始向客戶提供HBM3E 12H樣品，預(yù)計(jì)于今年下半年開始大規(guī)模量產(chǎn)。
?03、競購HBM3E，英偉達(dá)既要又要還要
隨著AI服務(wù)器的流行，AI加速卡的需求也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長勢(shì)頭。
而作為AI加速卡的重要組成部分，高頻寬存儲(chǔ)器HBM正逐漸成為其不可或缺的DRAM模塊。英偉達(dá)的下一代AI加速卡B100（Blackwell架構(gòu)）的存儲(chǔ)器規(guī)格，將采用HBM3E。而這種規(guī)格的存儲(chǔ)器，目前只有SK海力士、三星電子和美光能提供。
為了保障HBM的穩(wěn)定供應(yīng)，英偉達(dá)甚至需要以大量預(yù)付款的形式提供資金支持內(nèi)存供應(yīng)商研發(fā)HBM產(chǎn)品。要知道客戶向內(nèi)存供應(yīng)商大規(guī)模預(yù)付款項(xiàng)的情況是很少見的。畢竟，急切需要HBM3E產(chǎn)能的并非只有英偉達(dá)一家，眾多企業(yè)都競相爭奪這一稀缺資源，比如 AMD、微軟、亞馬遜等都在排隊(duì)購買。
據(jù)悉，AMD 將在今年晚些時(shí)候推出采用 HBM3e 內(nèi)存的升級(jí)版 MI300 AI 加速器，隨后于 2025 年推出新一代 Instinct MI400。除英偉達(dá)和AMD之外，亞馬遜和微軟則是云服務(wù)領(lǐng)域的兩大巨頭，之前已引入生成式人工智能技術(shù)，并大幅追加了對(duì)于AI領(lǐng)域的投資。報(bào)道稱，SK海力士正忙于應(yīng)對(duì)客戶對(duì)HBM3E樣品的大量請(qǐng)求，但滿足英偉達(dá)首先提出的樣品數(shù)量要求非常緊迫。
在這場競賽的伊始，兩大HBM供應(yīng)商的產(chǎn)能迅速被搶購一空。
近日，SK海力士副總裁Kim Ki-tae在一篇博文中表示，雖然2024年才剛開始，但今年SK海力士旗下的HBM已經(jīng)全部售罄。同時(shí)，公司為了保持市場領(lǐng)先地位，已開始為2025年預(yù)作準(zhǔn)備。
美光科技也表示今年HBM產(chǎn)能已銷售一空，2025年絕大多數(shù)產(chǎn)能已被預(yù)訂。此前英偉達(dá)聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛在GTC 2024大會(huì)上表示，英偉達(dá)正在測試三星的HBM芯片，可能會(huì)在未來采用。這也意味著，在當(dāng)前供需關(guān)系異常緊張的背景下，英偉達(dá)不僅依賴SK海力士和美光兩家提供HBM3E產(chǎn)能，還急需三星的加入以滿足其日益增長的需求。如此來看，在AI發(fā)展如日中天的當(dāng)下，HBM3E的2024年產(chǎn)能存在嚴(yán)重不足。
?04、2024年HBM供給位元年增長率有望高達(dá)260%
據(jù)集邦咨詢，截至 2024 年底，整體 DRAM 產(chǎn)業(yè)規(guī)劃生產(chǎn) HBM TSV 的產(chǎn)能約為 250K/m，占總 DRAM 產(chǎn)能（約 1,800K/m）約 14%，原廠持續(xù)加大投入，供給位元年增長率有望高達(dá) 260%。
占比方面，HBM 需求持續(xù)旺盛，2024 年訂單已基本被買家鎖定，占 DRAM 總產(chǎn)值比重有望從 2023 年的 8.4%提升至 2024 年的 20.1%，成長迅速。該機(jī)構(gòu)同時(shí)預(yù)估了三大HBM廠商的HBM/TSV產(chǎn)能，其中三星HBM TSV年產(chǎn)能將在2024年達(dá)到130K/m。
SK海力士次之，可達(dá)120~125K/m；美光相對(duì)較少，僅為20K/m、目前三星、SK海力士規(guī)劃提高HBM產(chǎn)能最積極，其中SK海力士在HBM3市場的占有率逾90%，而三星將連續(xù)數(shù)個(gè)季度緊追，未來將受惠于AMD MI300芯片的逐季放量。
HBM高帶寬存儲(chǔ)芯片晶圓的尺寸相比同容量、同制程的DDR5大35%~45%，然而良率（包含TSV封裝良率）要低20%~30%。生產(chǎn)周期方面，HBM的制造工藝（包含TSV）較DDR5長1.5~2個(gè)月不等。
由于HBM芯片生產(chǎn)周期更長，從投片到產(chǎn)出、封裝完成需要兩個(gè)季度以上。因此，急需取得充足供貨的買家更早鎖定訂單。去年6月有媒體報(bào)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(jì)到今年年末，該廠后段工藝設(shè)備規(guī)模將增加近一倍。
近日，SK海力士正計(jì)劃投資大約40億美元，在美國印第安納州西拉斐特新建大型的先進(jìn)芯片封裝工廠，力爭擴(kuò)張HBM存儲(chǔ)產(chǎn)能以滿足英偉達(dá)龐大需求。該大型先進(jìn)封裝工廠可能于2028年開始運(yùn)營。為了縮小差距，美光也對(duì)其下一代產(chǎn)品 HBM3E 下了很大的賭注。
據(jù)悉，美光科技位于中國臺(tái)灣的臺(tái)中四廠已于2023年11月初正式啟用。美光表示，臺(tái)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(jì)算及云端等各類應(yīng)用日益增長的需求。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(gè)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(duì)包括 HBM 系列在內(nèi)的大容量存儲(chǔ)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(huì)上對(duì)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(jì)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(shí)還計(jì)劃投資7000億至1萬億韓元新建封裝線。
然而值得注意的是，日前，海外分析師表示，三星HBM3芯片的生產(chǎn)良率約為10%~20%，而SK海力士的HBM3良率可達(dá)60%~70%。最大的原因就在于三星堅(jiān)持使用熱壓非導(dǎo)電薄膜（TC NCF）制造技術(shù)，這會(huì)導(dǎo)致一些生產(chǎn)問題。而SK海力士則大規(guī)模采用回流模制底部填充（MR-MUF）技術(shù)，可以克服NCF的弱點(diǎn)。
為提高產(chǎn)量，三星正在積極與材料制造商展開談判，其中包括日本的Nagase等公司，旨在獲取MUF材料的穩(wěn)定供應(yīng)。據(jù)悉，盡管三星已經(jīng)下達(dá)了用于MUF技術(shù)的芯片制造設(shè)備采購訂單，但由于需要進(jìn)行更多的測試和優(yōu)化，使用MUF技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)高端芯片最早可能要到明年才能準(zhǔn)備就緒。
?05、HBM量價(jià)齊升，國產(chǎn)廠商迎頭趕上
國內(nèi)存儲(chǔ)廠商也在入局HBM市場。根據(jù)采招網(wǎng)，近日，武漢新芯發(fā)布《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，利用三維集成多晶圓堆疊技術(shù)，打造更高容量、更大帶寬、更小功耗和更高生產(chǎn)效率的國產(chǎn)高帶寬存儲(chǔ)器產(chǎn)品，推進(jìn)多晶圓堆疊工藝產(chǎn)業(yè)化，新增生產(chǎn)設(shè)備約17臺(tái)/套，擬實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)出能力≥3000片（12英寸）。面對(duì)海外大廠對(duì)于 HBM3E 的量產(chǎn)，國內(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爭實(shí)力。
例如中國臺(tái)灣的華邦電于去年8月介紹了其類HBM高帶寬產(chǎn)品CUBEx， 采用1~4層TSV DRAM堆疊，I/O速度500M~2Gbps，總帶寬最高可達(dá)1024GB/s，顆粒容量為0.5~4GB，功耗低至不足1pJ/bit。這種比常規(guī)HBM擁有更高帶寬的CUBEx可用于AR、VR、可穿戴等領(lǐng)域。
中國大陸方面，目前國際一線廠商DRAM制程在1alpha、1beta水平，國產(chǎn)DRAM制程在 25~17nm水平，中國臺(tái)灣DRAM制程在25~19nm水平。國內(nèi)DRAM制程接近海外，且國內(nèi)擁有先進(jìn)封裝技術(shù)資源和GPU客戶資源，有強(qiáng)烈的國產(chǎn)化訴求，未來國產(chǎn)DRAM廠商有望突破HBM。
目前中國大陸只有長電科技、通富微電和盛合晶微等一線封裝廠商擁有支持HBM生產(chǎn)的技術(shù)（如TSV硅通孔）和設(shè)備。長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)國內(nèi)在HBM高性能封裝技術(shù)領(lǐng)域的突破，對(duì)于國家在集成電路封測領(lǐng)域突破“卡脖子”技術(shù)具有重要意義。
在其余供應(yīng)鏈上，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)國芯科技則表示已與合作伙伴一起正在基于先進(jìn)工藝開展流片驗(yàn)證相關(guān)chiplet芯片高性能互聯(lián)IP技術(shù)工作，和上下游合作廠家積極開展包括HBM技術(shù)在內(nèi)的高端芯片封裝合作。紫光國微表示，公司HBM產(chǎn)品為公司特種集成電路產(chǎn)品，目前還在研發(fā)階段。香農(nóng)芯創(chuàng)此前表示，公司作為SK海力士分銷商之一具有HBM代理資質(zhì)。
公司未來根據(jù)下游客戶需求，在原廠供應(yīng)有保障的前提下形成相應(yīng)銷售。飛凱材料表示，環(huán)氧塑封料是HBM存儲(chǔ)芯片制造技術(shù)所需要的材料之一，MUF材料按性狀和工藝分不同品種，目前公司MUF材料產(chǎn)品包括液體封裝材料LMC及GMC顆粒封裝料，液體封裝材料LMC已經(jīng)量產(chǎn)并形成少量銷售，顆粒填充封裝料GMC尚處于研發(fā)送樣階段。興森科技表示，公司的FCBGA封裝基板可用于HBM存儲(chǔ)的封裝，但目前尚未進(jìn)入海外HBM龍頭產(chǎn)業(yè)鏈。
HBM3和HBM3E，作為HBM芯片的最新迭代版本，正逐漸成為市場的寵兒。它們與核心微處理器芯片的緊密結(jié)合，為生成式人工智能處理海量數(shù)據(jù)提供了強(qiáng)有力的支持。未來，隨著HBM3和HBM3E技術(shù)的不斷完善和成熟，我們有理由相信，它們將在更多領(lǐng)域大放異彩，成為推動(dòng)人工智能發(fā)展的重要力量。無論是國內(nèi)還是國際的廠商，都將在這一領(lǐng)域中迎來新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
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