存儲巨頭爭霸HBM

作為存儲器市場的重要組成部分,DRAM技術(shù)不斷地升級衍生。近年來,如同閃存從2D NAND向3D NAND發(fā)展一樣,DRAM也正在從2D向3D技術(shù)發(fā)展,其中HBM為主要代表產(chǎn)品。

巨頭之間的競爭從不曾停歇。在內(nèi)存領(lǐng)域,一場關(guān)于HBM(High Bandwidth Memory,高帶寬存儲器)的競逐賽已悄然打響。

從2D到3D DRAM之“革命”

作為存儲器市場的重要組成部分,DRAM技術(shù)不斷地升級衍生。近年來,如同閃存從2D NAND向3D NAND發(fā)展一樣,DRAM也正在從2D向3D技術(shù)發(fā)展,其中HBM為主要代表產(chǎn)品。

據(jù)了解,HBM主要是通過硅通孔(Through Silicon Via, 簡稱“TSV”)技術(shù)進(jìn)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。

“TSV——在DRAM芯片上搭上數(shù)千個細(xì)微孔并通過垂直貫通的電極連接上下芯片的技術(shù)。該技術(shù)在緩沖芯片(buffer chip)上將數(shù)個DRAM芯片堆疊起來,并通過貫通所有芯片層的柱狀通道傳輸信號、指令、電流。相較傳統(tǒng)封裝方式,該技術(shù)能夠縮減30%體積,并降低50%能耗。”HBM的主要供應(yīng)商SK海力士在其新聞稿中如此介紹。

圖|SK海力士官網(wǎng)

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(yīng)用于高性能計(jì)算(HPC)、超級計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)中心、人工智能/深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算等領(lǐng)域。隨著5G商用到來,存儲數(shù)據(jù)量激增,市場對于HBM的需求將有望大幅提升。

從技術(shù)角度看,HBM使得DRAM從傳統(tǒng)2D轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw3D,充分利用空間、縮小面積,正契合半導(dǎo)體行業(yè)小型化、集成化的發(fā)展趨勢。HBM突破了內(nèi)存容量與帶寬瓶頸,被視為新一代DRAM解決方案,業(yè)界認(rèn)為這是DRAM通過存儲器層次結(jié)構(gòu)的多樣化開辟一條新的道路,革命性提升DRAM的性能。

美光新入局 三巨頭齊爭霸

在HBM的誕生與發(fā)展過程中,AMD和SK海力士可謂功不可沒。據(jù)了解,最早是AMD意識到DDR的局限性并產(chǎn)生開發(fā)堆疊內(nèi)存的想法,后來其與SK海力士聯(lián)手研發(fā)HBM;2013年,SK海力士將TSV技術(shù)應(yīng)用于DRAM,在業(yè)界首次成功研發(fā)出HBM;2015年,AMD在Fury系列顯卡上首次商用第一代HBM技術(shù)。

第一代HBM面世商用后,SK海力士與三星即開始了一場你追我趕的競賽。

2016年1月,三星宣布開始批量生產(chǎn)4GB HBM2 DRAM,同時表示將在同一年內(nèi)生產(chǎn)8GB HBM2 DRAM封裝,隨后于2017年7月宣布增產(chǎn)8GB HBM2;2017年下半年,被三星后來者居上的SK海力士亦開始量產(chǎn)HBM2;2018年1月,三星宣布開始量產(chǎn)第二代8GB HBM2“Aquabolt”。

近兩年來,SK海力士和三星均開始加速布局HBM。2019年8月,SK海力士宣布成功研發(fā)出新一代“HBM2E”,并于今年7月宣布開始量產(chǎn);2020年2月,三星正式宣布推出其16GB HBM2E產(chǎn)品“Flashbolt”,當(dāng)時表示將在今年上半年開始量產(chǎn)。

圖|三星官網(wǎng)

根據(jù)三星官方介紹,其16GB HBM2E Flashbolt通過垂直堆疊八層10納米級16千兆比特(GB)DRAM晶片,能夠提供高達(dá)410千兆比特/秒(GB/s)的卓越內(nèi)存帶寬級別和每引腳3.2 GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速度。

SK海力士方面表示,其HBM2E以每個引腳3.6Gbps的處理速度,每秒能處理超過460GB的數(shù)據(jù),包含1024個數(shù)據(jù)I/O(輸入/輸出);通過TSV技術(shù)垂直堆疊8個16GB芯片,其HBM2E單顆容量16GB。

SK海力士的HBM技術(shù)線路圖,來源:SK海力士官網(wǎng)

至此,SK海力士與三星的步伐均來到了量產(chǎn)HBM2E。據(jù)SK海力士7月在其新聞稿中透露,現(xiàn)在正是走向HBM3的時候了,目前JEDEC在討論制定HBM3產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

競逐賽仍在繼續(xù),值得一提的是,今年另一家存儲器巨頭美光亦宣布加入到這一賽場中來。

據(jù)報(bào)道,今年3月美光在其財(cái)報(bào)電話會議上表示,今年晚些時候?qū)⑼瞥銎涫卓頗BM DRAM方案。報(bào)道還稱,美光的HBM2E計(jì)劃將在2020下半年上市,并預(yù)計(jì)美光HBMNext將在2022年面世,HBMNext可能是HBM2E技術(shù)的升級版本。

TrendForce集邦咨詢發(fā)布的2020第二季度全球DRAM廠自有品牌內(nèi)存營收排名顯示,三星、SK海力士、美光依次位列前三,占據(jù)了DRAM超過90%市場份額。隨著美光的加入,HBM賽場集齊三大DRAM巨頭,主要玩家從原來的兩強(qiáng)激戰(zhàn)變成三雄爭霸之格局。

或許,這一場競逐賽才剛剛開始。

上下游廠商發(fā)力 搶占先機(jī)

在存儲巨頭們激烈角逐的同時,上下游廠商亦在積極布局。

如客戶方面,AMD和英偉達(dá)兩大顯卡廠商已多次在其產(chǎn)品上采用HBM DRAM。AMD當(dāng)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,再如2019年AMD Radeon VII顯卡搭載的亦為HBM2。

今年年初,媒體曝光AMD下一代顯卡將采用HBM2E,不過其今年10月發(fā)布的Radeon RX 6900 XT并未搭載,但基于SK海力士與三星均已量產(chǎn)HBM2E,或許AMD的產(chǎn)品亦已在路上。

英偉達(dá)對HBM的熱情不遜于AMD。2016年,英偉達(dá)發(fā)布其首個采用帕斯卡架構(gòu)的顯卡Tesla P100,這款產(chǎn)品搭載HBM2并于2017年4月開始供貨,包括后面的Tesla V100也采用了HBM2;此外,2017年初英偉達(dá)發(fā)布的Quadro系列專業(yè)卡中的旗艦GP100亦采用了HBM2。今年5月,英偉達(dá)推出Tesla A100計(jì)算卡,也搭載了容量40GB HBM2。

英特爾也曾在其產(chǎn)品上集成HBM。2017年12月,英特爾發(fā)布了全球首款集成HBM2顯存的FPGA(現(xiàn)場可編程陣列)芯片“Strtix 10 MX”,可提供高達(dá)512GB/s的帶寬,相比于獨(dú)立DDR2顯存提升了10倍。

值得一提的是,晶圓代工廠商包括如臺積電、格芯等也在發(fā)力HBM相關(guān)技術(shù)。

今年3月,臺積電宣布與與博通合作強(qiáng)化CoWoS平臺,該平臺技術(shù)常用于HBM的整合封裝,新一代CoWoS技術(shù)能夠容納多個邏輯系統(tǒng)單芯片以及多達(dá)6個HBM,提供高達(dá)96GB的存儲容量。

前不久,業(yè)內(nèi)消息稱臺積電將量產(chǎn)其第六代CoWoS技術(shù),可在單個封裝內(nèi)集成12顆HBM。

2019年11月,格芯與SiFive也宣布共同開發(fā)基于12LP / 12LP+ FinFET工藝的HBM2E。據(jù)介紹,SiFive基于格芯12LP平臺和12LP+解決方案的可定制HBM接口將實(shí)現(xiàn)高帶寬存儲輕松集成到單個片上系統(tǒng)(SoC)解決方案中。

存儲巨頭相繼入局、上下游廠商發(fā)力,HBM受到越來越多的關(guān)注與青睞,有人甚至認(rèn)為HBM未來將取代DDR。目前而言,DDR仍為DRAM市場主流產(chǎn)品,HBM市場占比較低,亦仍有待進(jìn)一步提升技術(shù)、降低成本,但隨著5G時代到來,HBM未來或?qū)⒋笥兴鶠椤?/p>

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