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作者：豐寧
在英偉達一步步站穩(wěn)萬億市值腳根的道路上，少不了兩項關(guān)鍵技術(shù)支持，其中之一是由臺積電主導(dǎo)的CoWoS先進封裝，另一個便是席卷當(dāng)下的HBM（高帶寬存儲）。
英偉達H200是首次采用HBM3E存儲器規(guī)格的AI加速卡。借助內(nèi)存速度更快、容量更大的HBM3e，英偉達H200以每秒4.8TB的速度提供141GB的內(nèi)存，與A100相比，容量幾乎是其兩倍，帶寬也提升了43%，從而加速生成式AI和大語言模型，提高高性能計算（HPC）的工作負載。
隨著人工智能的興起，HBM成為巨頭們搶占的高地。三星、SK海力士、美光等存儲巨頭紛紛將HBM視為重點生產(chǎn)產(chǎn)品之一。HBM的火熱，給市場掀起巨大波瀾。一起看看HBM這股熱潮給市場帶來了哪些轉(zhuǎn)折？
?01、HBM走紅，帶來三大影響
HBM成為力挽行業(yè)下行的關(guān)鍵詞之一
數(shù)個季度的持續(xù)低迷下，頭部存儲廠商相繼展現(xiàn)出季度收入環(huán)比增長趨勢，其中以SK海力士的表現(xiàn)最為亮眼，背后就離不開由HBM拉動對DRAM的需求提升。今年Q1，SK海力士收入創(chuàng)歷史同期新高，營業(yè)利潤也創(chuàng)下了市況最佳的2018年以來同期第二高，公司將其視為擺脫了長時間的低迷期，開始轉(zhuǎn)向了全面復(fù)蘇期。
SK海力士表示：“憑借HBM等面向AI的存儲器技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力，公司提升了面向AI服務(wù)器的產(chǎn)品銷量，同時持續(xù)實施以盈利為主的經(jīng)營活動，從而實現(xiàn)了營業(yè)利潤環(huán)比增長734%的業(yè)績?！?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000837/">三星電子曾表示生成式AI市場應(yīng)用將帶來HBM等支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的內(nèi)存產(chǎn)品需求快速增長，公司接到了大量客戶需求。預(yù)計2024年HBM的需求可能出現(xiàn)陡峭增長。美光表示，AI服務(wù)器的DRAM容量是普通服務(wù)器的6倍到8倍，NAND容量是普通服務(wù)器的3倍。英偉達DGX GH200所需的DRAM容量是普通服務(wù)器的數(shù)百倍。
通用DRAM恐缺貨漲價
通用型DRAM內(nèi)存芯片面臨的供應(yīng)短缺，主要源于業(yè)界對HBM等類型的DRAM進行了大量的投資，而通用型DRAM的產(chǎn)能利用率相對較低。目前，三星和SK海力士的產(chǎn)能利用率僅為80%到90%，遠低于NAND閃存的全速生產(chǎn)狀態(tài)。
自2024年初以來，通用型DRAM的產(chǎn)能僅提升了大約10%，但智能手機、PC和服務(wù)器市場的增長率預(yù)計僅為2%到3%。全球云計算和科技公司在AI基礎(chǔ)設(shè)施上的投資削減，并未能顯著推動DRAM需求的復(fù)蘇。然而，在同一時期內(nèi)，企業(yè)級固態(tài)硬盤（eSSD）的需求卻因人工智能的普及而激增。因此，三星、SK海力士等主要制造商在第二季度滿負荷運行其NAND生產(chǎn)線。此外，鎧俠也在市場條件改善后結(jié)束了減產(chǎn)，NAND產(chǎn)能利用率恢復(fù)至100%。
由于通用DRAM內(nèi)存芯片在消費市場，如個人電腦和移動終端等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，而隨著市場需求的放大，可能會出現(xiàn)大范圍的短缺。根據(jù)摩根士丹利最新報告，全球內(nèi)存市場在2025年將迎來一次前所未有的供需失衡，2025年HBM的供應(yīng)不足率將達到-11%，而整個DRAM市場的供應(yīng)不足率將高達-23%。
爭奪戰(zhàn)，不只是技術(shù)
存儲巨頭在HBM技術(shù)領(lǐng)域的爭奪戰(zhàn)日益激烈，從HBM1到HBM2、HBM3，再到最新的HBM3e，每一代技術(shù)的演進都標(biāo)志著存儲性能的顯著提升和市場競爭的加劇。HBM1最早于2014年由AMD與SK海力士共同推出，作為GDDR競品，為4層die堆疊，提供128GB/s帶寬，4GB內(nèi)存，顯著優(yōu)于同期GDDR5。
HBM2于2016年發(fā)布，2018年正式推出，為4層DRAMdie，現(xiàn)在多為8層die，提供256GB/s帶寬，2.4Gbps傳輸速度，和8GB內(nèi)存。HBM2E于2018年發(fā)布，于2020年正式提出，在傳輸速度和內(nèi)存等方面均有較大提升，提供3.6Gbps傳輸速度，和16GB內(nèi)存。HBM3于2020年發(fā)布，2022年正式推出，堆疊層數(shù)及管理通道數(shù)均有增加，提供6.4Gbps傳輸速度，傳輸速度最高可達819GB/s，和16GB內(nèi)存。HBM3E由SK海力士發(fā)布HBM3的增強版，提供高達8Gbps的傳輸速度，24GB容量，2024年開始大規(guī)模量產(chǎn)。
然而這不僅僅是一場單純的技術(shù)較量，更是一場激烈無比的產(chǎn)能競賽。根據(jù)存儲三巨頭表示，今年的HBM供應(yīng)能力已全部耗盡，明年的產(chǎn)能也已經(jīng)大部分售罄。據(jù)專業(yè)機構(gòu)分析，今明兩年HBM需求的動態(tài)缺口約為產(chǎn)能的5.5%和3.5%。因此，三大廠商紛紛開啟產(chǎn)能沖刺競賽。比如SK海力士正在大幅擴產(chǎn)第5代1b DRAM，以應(yīng)對HBM與DDR5 DRAM的需求增加。
按照晶圓投入量看，公司計劃將1b DRAM月產(chǎn)能從今年一季度的1萬片增加到年末的9萬片，到明年上半年進一步提升至14萬-15萬片，是今年一季度產(chǎn)能的14-15倍。三星3月底曾表示，預(yù)計今年HBM產(chǎn)能將增至去年的2.9倍。美光正在美國建設(shè)先進的HBM測試生產(chǎn)線，并考慮首次在馬來西亞生產(chǎn)HBM，以抓住AI熱潮帶來的更多需求。
?02、相比GDDR，HBM強在哪兒？
根據(jù)產(chǎn)品分類，DRAM 可以分為 DDR、LPDDR、GDDR、HBM。前三類產(chǎn)品主要用于傳統(tǒng)周期領(lǐng)域，HBM 則主要是 AI 市場的帶動。其中 DDR 主要用于消費電子、服務(wù)器、PC 領(lǐng)域；LPDDR主要用于移動設(shè)備、手機及汽車領(lǐng)域；GDDR 主要用于圖像處理方面的 GPU 等。
隨著數(shù)據(jù)量越發(fā)龐大加之AI芯片的加速發(fā)展，馮氏計算架構(gòu)問題凸顯：“存”“算”之間性能失配，使得計算機的計算能力增長遇到瓶頸，雖然多核并行加速技術(shù)可以提高算力，但存儲帶寬的限制仍對計算系統(tǒng)的算力提升產(chǎn)生了制約。GDDR是目前應(yīng)用較為廣泛的顯存技術(shù)，但在AI計算領(lǐng)域GDDR也難堪重任，于是制造商將目光投向HBM技術(shù)。
HBM具備高帶寬的優(yōu)勢。通過多層堆疊，HBM能達到更高的I/O數(shù)量，使得顯存位寬達到1024位，幾乎是GDDR的32倍，顯存帶寬顯著提升。顯存帶寬顯著提升解決了過去AI計算“內(nèi)存墻”的問題，HBM逐步提高在中高端數(shù)據(jù)中心GPU中的滲透比率。
HBM具備高密度、小體積等優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)DRAM，HBM在相同的物理空間內(nèi)能夠容納更多的存儲單元，從而提供更高的存儲容量。這對于存儲千億參數(shù)乃至更大規(guī)模的大模型至關(guān)重要。此外，HBM通過3D封裝工藝實現(xiàn)DRAM die的垂直方向堆疊封裝，可以較大程度節(jié)約存儲芯片在片上占據(jù)的面積。HBM芯片的尺寸比傳統(tǒng)的DDR4芯片小20%，比GDDR5芯片節(jié)省了94%的表面積。根據(jù)三星電子的統(tǒng)計，3D TSV工藝較傳統(tǒng)POP封裝形式節(jié)省了35%的封裝尺寸。
受構(gòu)造影響，GDDR的總帶寬上限低于HBM。總帶寬=I/O數(shù)據(jù)速率（Gb/s）*位寬/8。為解決DDR帶寬較低的問題，本質(zhì)上需要對單I/O的數(shù)據(jù)速率和位寬（I/O數(shù)*單I/O位寬）進行提升，可分為GDDR單體式方案和HBM堆疊式方案。單體式GDDR采取大幅提升單I/O數(shù)據(jù)速率的手段來改善總帶寬，GDDR5和GDDR6的單I/O數(shù)據(jù)速率已達到7 Gb/s到16Gb/s，超過HBM3的6.4 Gb/s。HBM利用TSV技術(shù)提升I/O數(shù)和單I/O位寬，從而大幅提升位寬，雖然維持較低的單I/O數(shù)據(jù)速率，但總帶寬遠優(yōu)于GDDR。
HBM的綜合功耗也低于GDDR。HBM通過增加I/O引腳數(shù)量來降低總線頻率，從而實現(xiàn)更低的功耗。盡管片上分布的大量緩存能提供足夠的計算帶寬，但由于存儲結(jié)構(gòu)和工藝制約，片上緩存占用了大部分的芯片面積（通常為1/3至2/3），限制了算力提升。
如今，HBM已經(jīng)成為超級計算機、數(shù)據(jù)中心等核心設(shè)施中不可或缺的關(guān)鍵組件，為大規(guī)模并行計算提供了堅實的內(nèi)存基礎(chǔ)。尤其在圖形處理領(lǐng)域，HBM的高帶寬特性使得GPU能夠更快速地訪問和處理圖像數(shù)據(jù)，從而為用戶帶來更加流暢、逼真的視覺體驗。即便是業(yè)界領(lǐng)先的英偉達，也對這一產(chǎn)品展現(xiàn)出了高度的依賴性。
據(jù)悉，英偉達近幾年發(fā)布的多款旗艦產(chǎn)品（如A100、H100、H200）均搭配了不同數(shù)量的HBM。HBM已然是英偉達AI芯片的必備搭檔。然而全球約九成的HBM市場被SK海力士和三星兩家韓系企業(yè)壟斷。
?03、2024年末，HBM是持續(xù)短缺？還是供過于求？
在存儲三巨頭的競爭中，由于海力士HBM3產(chǎn)品性能領(lǐng)先，率先拿下英偉達訂單，成為其服務(wù)器GPU的主要供應(yīng)商。三星主攻一些云端客戶的訂單，美光則直接跳過了HBM3，將主要精力放在了HBM3E產(chǎn)品上。
僅從當(dāng)下來看，美光的市場占有率和前面兩個玩家有一些差距。但不管怎樣，三位存儲芯片的大佬都在擴產(chǎn)能上不留余力。比如海力士已經(jīng)放下豪言壯語，計劃到2028年投資高達748億美元，其中80%將用于HBM的研發(fā)和生產(chǎn)，而且將下一代HBM4芯片的量產(chǎn)時間提前到2025年。據(jù)專業(yè)機構(gòu)分析，今明兩年HBM需求的動態(tài)缺口約為產(chǎn)能的5.5%和3.5%。
不過根據(jù)海豚投研的數(shù)據(jù)顯示，HBM有望從2023年末的“供不應(yīng)求”轉(zhuǎn)為2024年末的“供大于求”。海豚投研比較了2023—2024年HBM的供需關(guān)系情況。 從需求端來看，結(jié)合云服務(wù)廠商的資本開支和AI出貨量情況，市場對HBM的需求有望從2023年的284MGB提升至512MGB； 從供給端來看，結(jié)合存儲主流廠商的產(chǎn)能計劃，HBM的供給端更可能從2023年的147MGB快速提升至1000MGB以上。
在此供需關(guān)系中，2023年供給端僅能滿足需求的1/2，嚴(yán)重供不應(yīng)求。供不應(yīng)求的局面，推動各家廠商大幅提升產(chǎn)能計劃。如果產(chǎn)能規(guī)劃如實落地，2024年的HBM供需關(guān)系可能會出現(xiàn)明顯反轉(zhuǎn)，供給端反而會超出整體的市場需求。
對于HBM的價格，當(dāng)前由于供給仍相對緊張，因此整體價格在2024年將有所上漲。但隨著三星產(chǎn)品通過認(rèn)證和產(chǎn)能端的釋放，HBM的產(chǎn)品價格也可能出現(xiàn)回落。
?04、國產(chǎn)廠商加速突破
隨著AIGC技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，AI服務(wù)器和高端GPU的需求持續(xù)增長，將進一步推動HBM市場的高速增長。據(jù)預(yù)計，到2025年，中國HBM的需求量規(guī)模有望超過100萬顆。而中國，在這一賽道還屬于后來者。
不久前，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金三期橫空出世。大基金三期注冊資本高達3440億元，這一規(guī)模遠超前兩期基金，顯示出國家對集成電路產(chǎn)業(yè)的重視和大力支持。如此龐大的資金注入，無疑將為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強大的動力。目前，大基金三期對外投資重點還未正式披露。
據(jù)悉，大基金三期有望增加覆蓋人工智能芯片環(huán)節(jié)，在HBM產(chǎn)業(yè)鏈扶持大型晶圓廠。今年3月，武漢新芯發(fā)布了《高帶寬存儲芯粒先進封裝技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)》招標(biāo)項目，這一行動標(biāo)志著該公司正式進軍HBM市場。通過利用三維集成多晶圓堆疊技術(shù)，武漢新芯旨在打造更高容量、更大帶寬、更小功耗的存儲解決方案，以滿足市場對高性能存儲芯片的需求。
面對海外大廠對于 HBM3E 的量產(chǎn)，國內(nèi)存儲廠商也在 HBM 技術(shù)上進行著加速突破，有望在 AI 大浪潮的需求下提升競爭實力。面對海外大廠對于 HBM3E 的量產(chǎn)，國內(nèi)存儲廠商也在 HBM 技術(shù)上進行著加速突破，有望在 AI 大浪潮的需求下提升競爭實力。
封測龍頭長電科技在投資者互動中表示，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，南通通富工廠先進封裝生產(chǎn)線建成后，公司將成為國內(nèi)最先進的2.5D/3D先進封裝研發(fā)及量產(chǎn)基地，實現(xiàn)國內(nèi)在HBM（高帶寬內(nèi)存）高性能封裝技術(shù)領(lǐng)域的突破，對于國家在集成電路封測領(lǐng)域具有重要意義。
中國主要的存儲芯片公司也在與封測廠商通富微電合作開展HBM相關(guān)項目。然而總體來看，國內(nèi)廠商在HBM技術(shù)上的發(fā)展仍處于早期階段。盡管國際上已經(jīng)有了更先進的HBM3和HBM3E產(chǎn)品，但國內(nèi)存儲廠商目前還處于HBM2的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段。面對海外大廠在HBM3E等先進技術(shù)上的量產(chǎn)優(yōu)勢，國內(nèi)廠商仍需加快追趕步伐，克服技術(shù)壁壘，實現(xiàn)從技術(shù)跟隨到技術(shù)引領(lǐng)的轉(zhuǎn)變。
在此過程中，客戶對于AI服務(wù)器性能、內(nèi)存帶寬及內(nèi)存大小的持續(xù)高要求，既是對HBM技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，也是推動其不斷前行的動力源泉。值得注意的是，盡管HBM在帶寬性能上占據(jù)優(yōu)勢地位，但其高昂的成本與功耗也促使行業(yè)探索更多元化的解決方案。GDDR、LPDDR等內(nèi)存技術(shù)的快速發(fā)展，為AI處理器提供了更多選擇，尤其是在成本、性能與功耗之間尋求最佳平衡點的應(yīng)用場景中。例如，GDDR7的推出不僅顯著提升了內(nèi)存容量與數(shù)據(jù)傳輸率，還因其相對較低的復(fù)雜度成為部分AI應(yīng)用的理想之選。
綜上所述，隨著AI技術(shù)的不斷演進與市場需求的日益多樣化，HBM作為高性能存儲技術(shù)的代表，將繼續(xù)在特定領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時，國內(nèi)廠商需緊抓機遇，加速技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級，以更加靈活多樣的內(nèi)存解決方案，滿足AI時代對高性能計算的多元化需求。
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