人工智能/機器學習、高性能計算、數(shù)據(jù)中心等應用市場興起，催生高帶寬內(nèi)存HBM(High Bandwidth Memory）并推動著其向前走更新迭代。如今，HBM來到第四代，盡管固態(tài)存儲協(xié)會（JEDEC）尚未發(fā)布推出HBM3的相關(guān)規(guī)范，產(chǎn)業(yè)鏈各廠商已早早布局。
內(nèi)存/IP廠商布局HBM3
10月20日，SK海力士宣布業(yè)界首次成功開發(fā)現(xiàn)有最佳規(guī)格的HBM3 DRAM。這是SK海力士去年7月開始批量生產(chǎn)HBM2E DRAM后，時隔僅1年零3個月開發(fā)了HBM3。
據(jù)了解，SK海力士研發(fā)的HBM3可每秒處理819GB的數(shù)據(jù)，相當于可在一秒內(nèi)傳輸163部全高清（Full-HD）電影（每部5GB），與上一代HBM2E相比，速度提高了約78%；內(nèi)置ECC校檢（On Die-Error Correction Code），可自身修復DRAM單元的數(shù)據(jù)的錯誤，產(chǎn)品可靠性大幅提高。
圖片來源：SK海力士官網(wǎng)
SK海力士HBM3將以16GB和24GB兩種容量上市。據(jù)悉，24GB是目前業(yè)界最大的容量，為了實現(xiàn)24GB，SK海力士技術(shù)團隊將單品DRAM芯片的高度磨削到約30微米（μm, 10-6m），相當于A4紙厚度的1/3，然后使用TSV技術(shù)（Through Silicon Via，硅通孔技術(shù)）垂直連接12個芯片。
隨著SK海力士成功開發(fā)HBM3，HBM開始挺進3.0時代，IP廠商亦已先行布局HBM3。
10月7日，Synopsys宣布推出業(yè)界首個完整的HBM3 IP解決方案，包括用于2.5D多芯片封裝系統(tǒng)的控制器、PHY和驗證IP。據(jù)了解，Synopsys的DesignWare HBM3控制器與PHY IP基于經(jīng)芯片驗證過的HBM2E IP打造，而HBM3 PHY IP基于5nm制程打造，每個引腳的速率可達7200 Mbps，內(nèi)存帶寬最高可提升至921GB/s。
值得一提的是，在Synopsys的新聞稿中，SK海力士、三星電子、美光等內(nèi)存廠商均表示將致力于開發(fā)HBM3內(nèi)存。
除了Synopsys，今年8月美國內(nèi)存IP核供應商Rambus宣布推出其支持HBM3的內(nèi)存接口子系統(tǒng)，內(nèi)含完全集成的PHY和數(shù)字控制器，數(shù)據(jù)傳輸速率達8.4 Gbps，可提供超過1TB/s的帶寬，是HBM2E內(nèi)存子系統(tǒng)的兩倍以上。Rambus預計，其HBM3內(nèi)存將于2022年末或2023年初流片，實際應用于數(shù)據(jù)中心、AI、HPC等領(lǐng)域。
而更早些時候，中國臺灣地區(qū)的創(chuàng)意電子于6月發(fā)布基于臺積電CoWoS技術(shù)的AI/HPC/網(wǎng)絡(luò)平臺，搭載7.2Gbps HBM3控制器。
三星電子另辟蹊徑？
三星電子雖然目前尚未發(fā)布HBM3，但從披露的信息來看，其在HBM方面亦正持續(xù)發(fā)力。
今年2月，三星電子發(fā)布其集成AI處理器新一代芯片HBM-PIM（processing-in-memory），可提供最高達1.2 TFLOPS的嵌入式計算能力，從而使內(nèi)存芯片本身能夠執(zhí)行通常由CPU、GPU、ASIC或FPGA處理的工作。在這款HBM-PIM芯片中，三星電子利用PIM技術(shù)，將AI處理器搭載于HBM2 Aquabolt中，可提升兩倍性能，同時將功耗降低70%以上。
據(jù)介紹，HBM-PIM芯片將AI引擎引入每個存儲庫，從而將處理操作轉(zhuǎn)移到HBM本身。這種新型內(nèi)存的設(shè)計是為了減輕內(nèi)存與一般處理器之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的負擔，因為實際應用中，這種負擔無論在功耗還是時間上，往往比真正的計算操作消耗更大。三星還表示，使用這種新內(nèi)存不需要任何軟件或硬件變化（包括內(nèi)存控制器），從而可以被市場更快地采用。
對于HBM而言，三星電子的HBM-PIM提供了另一種方式，不過按照三星電子在Synopsys的新聞稿中所表達的態(tài)度，三星電子也將繼續(xù)推進開發(fā)HBM3。
此外，三星電子5月宣布開發(fā)出能將邏輯芯片（Logic Chip）和4顆HBM封裝在一起的新一代2.5D封裝技術(shù)“I-Cube4”，該技術(shù)可用于高性能計算（HPC）、AI、5G、云、數(shù)據(jù)中心等各種領(lǐng)域。據(jù)悉，三星目前也正在開發(fā)更先進、更復雜的I-Cube6，可同時封裝6顆HBM以及更復雜的2.5D/3D混合封裝技術(shù)。
從GPU到CPU全面擁抱？
在內(nèi)存/IP廠商在HBM領(lǐng)域的升級競賽持續(xù)進行的同時，HBM正在得到更多應用，主要廠商包括如AMD、英偉達、英特爾等。
AMD和英偉達兩大顯卡廠商曾多次在其產(chǎn)品上采用HBM。據(jù)了解，AMD當初攜手SK海力士研發(fā)HBM，并在其Fury顯卡采用全球首款HBM；2017年AMD旗下Vega顯卡使用HBM 2；2019年AMD Radeon VII顯卡搭載的亦為HBM2。
英偉達方面，其2016年發(fā)布的首個采用帕斯卡架構(gòu)的顯卡Tesla P100就搭載了HBM2，包括后面的Tesla V100也采用了HBM2；2017年初，英偉達發(fā)布的Quadro系列專業(yè)卡中的旗艦GP100亦采用了HBM2；2020年5月，英偉達推出的Tesla A100計算卡也搭載了容量40GB HBM2；今年6月，英偉達升級了A100 PCIe GPU加速器，配備80GB HBM2e顯存。
而英特爾更是將在其兩款新品中用到HBM。
今年8月，英特爾在其架構(gòu)日上介紹基于Xe HPC微架構(gòu)的全新數(shù)據(jù)中心GPU架構(gòu)Ponte Vecchio。Ponte Vecchio芯片由幾個以單元顯示的復雜設(shè)計構(gòu)成，包括計算單元、Rambo單元、Xe鏈路單元以及包含高速HBM內(nèi)存的基礎(chǔ)單元?；A(chǔ)單元是所有復雜的I/O和高帶寬組件與SoC基礎(chǔ)設(shè)施——PCIe Gen5、HBM2e內(nèi)存、連接不同單元MDFI鏈路和EMIB橋接。
英特爾也將HBM用在其下一代服務(wù)器CPU Sapphire Rapids上。據(jù)英特爾介紹，在內(nèi)存方面，Sapphire Rapids除了支持DDR5和英特爾@傲騰?內(nèi)存技術(shù)，還提供了一個產(chǎn)品版本，該版本在封裝中集成了HBM技術(shù)，可在HPC、AI、機器學習和內(nèi)存數(shù)據(jù)分析工作負載中普遍存在的密集并行計算中實現(xiàn)高性能。
近期外媒消息稱，一名工程師曝光了英特爾Sapphire Rapids的照片，曝光的照片顯示，Sapphire Rapids封裝了四顆CCD核心，每顆核心旁均配備兩片長方形的HBM內(nèi)存芯片。爆料者表示這可能是HBM2E，每顆處理器核心將具備兩條1024位內(nèi)存總線。
值得一提的是，今年7月外媒消息稱，AMD正在研發(fā)代號為Genoa的下一代EPYC霄龍服務(wù)器處理器，采用Zen 4架構(gòu)。這一處理器將首次配備HBM內(nèi)存，目的是與英特爾下一代服務(wù)器CPU Sapphire Rapids競爭。
若消息屬實，那英特爾和AMD均將在CPU上采用HBM，這也意味著HBM的應用不再局限于顯卡，其在服務(wù)器領(lǐng)域的應用將有望更加廣泛。
未來仍有很長的路要走
HBM主要是通過TSV技術(shù)進行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制，將數(shù)個DRAM裸片像摩天大廈中的樓層一樣垂直堆疊，裸片之間用TVS技術(shù)連接。
憑借TSV方式，HBM大幅提高了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，與傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)相比，HBM具有更高帶寬、更多I/O數(shù)量、更低功耗、更小尺寸，可應用于高性能計算（HPC）、超級計算機、大型數(shù)據(jù)中心、人工智能/深度學習、云計算等領(lǐng)域。
回顧HBM性能的歷史演進，第一代HBM數(shù)據(jù)傳輸速率大概可達1Gbps；2016年推出的第二代產(chǎn)品HBM2，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達2Gbps；2018年，第三代產(chǎn)品HBM2E的最高數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)可達3.6Gbps。如今，SK海力士已研發(fā)出第四代產(chǎn)品HBM3，此后HBM3預計仍將持續(xù)發(fā)力，在數(shù)據(jù)傳輸速率上有更大的提升。
從性能來看，HBM無疑是非常出色的，其在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、帶寬以及密度上都有著巨大的?yōu)勢。不過，目前HBM仍主要應用于數(shù)據(jù)中心等應用領(lǐng)域，主要在于服務(wù)器市場，其最大的限制條件在于成本，對成本比較敏感的應用領(lǐng)域如消費級市場而言，HBM的使用門檻仍較高。據(jù)了解，HBM所采用2.5封裝/3D堆疊技術(shù)是其成本偏高的重要原因。
盡管HBM已更迭到第四代，但正如Rambus IP核產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Frank Ferro此前在接受采訪時所言，HBM現(xiàn)在依舊處于相對早期的階段，其未來還有很長的一段路要走。而可預見的是，隨著越來越多的廠商在人工智能/機器學習等領(lǐng)域不斷發(fā)力，內(nèi)存產(chǎn)品設(shè)計的復雜性正在快速上升，并對帶寬提出了更高的要求，不斷上升的寬帶需求將持續(xù)驅(qū)動HBM發(fā)展。
2021年，芯片產(chǎn)能緊缺席卷全球，半導體產(chǎn)業(yè)迎來結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變，存儲行業(yè)亦面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。面對發(fā)展良機與各種不確定性因素，國內(nèi)外存儲企業(yè)該如何把握機遇實現(xiàn)突圍？存儲技術(shù)演進又將迎來哪些新趨勢？
