HBM4商用提速，存儲三巨頭各揣殺手锏

又到了半導(dǎo)體企業(yè)扎堆公布第二季度財(cái)報(bào)的日子，其中最開心的，一定少不了觸底反彈的幾家存儲芯片廠商。據(jù)了解，三星第二季度業(yè)績顯著提升，營業(yè)利潤高達(dá)10.44萬億韓元（約合人民幣549億元），同比驟增1462.29%;凈利潤為9.8413萬億韓元（約合人民幣517.7億元），同比大增470.97%,實(shí)現(xiàn)了近14年來最大幅度的凈利潤增長，而它的韓國友商SK海力士表現(xiàn)同樣強(qiáng)勁，第二季度營收增長125%至16.42萬億韓元（約合人民幣867億元）創(chuàng)下歷史新高；經(jīng)營利潤環(huán)比增長89%至5.47萬億韓元（約合人民幣288.8億元），創(chuàng)2018年二季度以來的最高水平。而此前發(fā)布2024財(cái)年第三季度財(cái)報(bào)的美光總營收為68.1億美元，較上年同期的37.5億美元同比增長81.6%，遠(yuǎn)超市場預(yù)期。

三星、SK海力士和美光都公開表示，這場久違的翻身仗的最大“功臣”，就是乘上人工智能高速發(fā)展東風(fēng)的HBM（高帶寬存儲器），這也堅(jiān)定了各大存儲廠商進(jìn)一步加大投資，研發(fā)下一代HBM的決心。當(dāng)下，HBM3E是市場主流，但是，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定組織JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會日前發(fā)布消息稱，HBM4標(biāo)準(zhǔn)即將定稿，新一輪的技術(shù)搶位大戰(zhàn)也宣告拉開序幕。

HBM4的提升將是一次質(zhì)的飛躍

當(dāng)前，AI旺盛的市場需求不斷刺激著半導(dǎo)體市場。其中AI服務(wù)器對芯片內(nèi)存容量和傳輸帶寬提出更高要求，拉動了高端存儲芯片和高密度存儲模組的出貨增長，尤其是HBM技術(shù)的迭代升級和應(yīng)用。

據(jù)Mordor Intelligence預(yù)測，從2024年到2029年，HBM市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從約25.2億美元激增至79.5億美元，預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率高達(dá)25.86%。為搶占這一增量市場，三星、SK海力士、美光等廠商正在加速推動HBM的規(guī)格迭代。

據(jù)了解，自2015年HBM技術(shù)發(fā)布至今，HBM已經(jīng)從HBM1升級到了HBM3E。每一次技術(shù)更新迭代，都會讓HBM在帶寬、容量、能效、架構(gòu)以及市場應(yīng)用等方面取得顯著提升。這些提升不僅推動了內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，也為高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。

如今，各大存儲廠商積極著手下一代HBM技術(shù)——HBM4的研發(fā)。根據(jù)JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會發(fā)布的HBM4的初步規(guī)范，HBM4將支持每個(gè)堆棧2048位接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)6.4GT/s，同時(shí)還支持更廣泛的內(nèi)存層配置，以更好地應(yīng)對不同類型的應(yīng)用需求。新的HBM4標(biāo)準(zhǔn)將包含24GB和32GB層，提供4高、8高、12高和16高TSV（硅通孔）堆棧配置。

TrendForce集邦咨詢分析師王豫琪表示，HBM4提高了單個(gè)堆棧內(nèi)的層數(shù)，從HBM3的最多12層增加到了最多16層。這一改變對內(nèi)存的容量和帶寬有顯著的影響。

對于容量，堆棧層數(shù)的增加直接導(dǎo)致了單個(gè)HBM4芯片的容量增加。這是因?yàn)槊恳粚佣伎梢源鎯?shù)據(jù)，更多的層數(shù)意味著更大的總?cè)萘俊＠?，HBM3的單個(gè)堆棧最大容量為16Gb，而HBM4則可以達(dá)到32Gb。對帶寬來說，堆棧層數(shù)的增加通常伴隨著更多的并行數(shù)據(jù)通道。HBM4通過將每個(gè)堆棧的通道數(shù)翻倍，顯著提高了并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。更多的層?shù)還意味著更多的I/O接口，這有助于減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，尤其是在多處理器或多GPU系統(tǒng)中，可以更高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

此外，還有一個(gè)值得注意的關(guān)鍵點(diǎn)是，HBM在所有迭代中都保留了相同的1024位接口，即以相對適中的時(shí)鐘速度運(yùn)行的超寬接口。然而，隨著內(nèi)存?zhèn)鬏斔俾室蟛粩嗵岣?，尤其是在DRAM單元的基礎(chǔ)物理原理沒有改變的情況下，1024位接口已經(jīng)無法滿足未來AI場景的數(shù)據(jù)傳輸要求。因此，HBM4需要對高帶寬內(nèi)存技術(shù)進(jìn)行更實(shí)質(zhì)性的改變，也就是升級為更寬的2048位內(nèi)存接口。

專家表示，接口寬度從1024位增加到2048位會對數(shù)據(jù)傳輸性能產(chǎn)生直接的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是帶寬增加，接口寬度增加意味著可以傳輸更大的數(shù)據(jù)位。1024位接口可以同時(shí)發(fā)送1024位（即128字節(jié)）數(shù)據(jù)。當(dāng)接口寬度增加到2048位時(shí)，一次傳輸就可以發(fā)送2048位（即256字節(jié)）的數(shù)據(jù)。二是吞吐量提高，如果1024位接口可以在一秒內(nèi)傳輸1GB的數(shù)據(jù)，那么2048位接口在同一秒內(nèi)理論上可以傳輸2GB的數(shù)據(jù)。三是效率提升，特別是在需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中，如高性能計(jì)算、圖形處理和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等。

各大企業(yè)各顯神通搶先機(jī)

HBM作為當(dāng)下存儲廠商的兵家必爭之地，可謂是得技術(shù)者得天下，SK海力士作為HBM技術(shù)的先行者，始終保持著技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，基本在每一代HBM新產(chǎn)品的發(fā)布上都壓了三星等其他存儲廠商一頭。市場研究公司TrendForce報(bào)告顯示，2023年，SK海力士以53%的市場份額領(lǐng)先HBM市場，其次是三星電子的38%和美光的9%。SK海力士更是成為了英偉達(dá)的HBM關(guān)鍵供應(yīng)商。

對于HBM4的市場份額，SK海力士勢在必得。

今年4月，SK海力士宣布與臺積電簽署了一份諒解備忘錄，雙方將合作生產(chǎn)下一代HBM，并通過先進(jìn)的封裝技術(shù)提高邏輯和HBM的集成度。據(jù)了解，兩家公司將首先對HBM封裝內(nèi)最底層的基礎(chǔ)裸片進(jìn)行性能改善。SK海力士以往的HBM產(chǎn)品都是基于公司自身制程工藝制造基礎(chǔ)裸片，但從HBM4產(chǎn)品開始計(jì)劃采用臺積電的先進(jìn)邏輯工藝。若在基礎(chǔ)裸片采用超細(xì)微工藝，可以增加更多的功能。由此，公司計(jì)劃生產(chǎn)在性能和功效等方面更廣泛地滿足客戶需求的定制化HBM產(chǎn)品。SK海力士HBM負(fù)責(zé)人Kim Gwi-wook表示，SK海力士計(jì)劃在2025年下半年推出12層DRAM堆疊的首批HBM4產(chǎn)品，于2026年推出16層堆疊的HBM4E產(chǎn)品，內(nèi)存帶寬將是HBM4的1.4倍。產(chǎn)品面市時(shí)間將“與英偉達(dá)AI加速器發(fā)布周期保持一致”。

在上個(gè)月，英偉達(dá)、臺積電和SK海力士三大巨頭宣布將組建“三角聯(lián)盟”，為迎接AI時(shí)代共同推進(jìn)HBM4等下一代技術(shù)?？梢哉f，SK海力士目前的勢頭十分強(qiáng)勁。

而誓要捍衛(wèi)存儲第一大廠地位的三星也不會善罷甘休。對抗臺積電和SK海力士的聯(lián)手，三星需要另辟蹊徑，押注自家的4納米工藝成了關(guān)鍵手段。

據(jù)悉，三星原定在HBM4設(shè)計(jì)采用7納米工藝，一下子提升到4納米，固然在芯片性能和用電量方面表現(xiàn)更優(yōu)秀。但制程研發(fā)的花費(fèi)更高，且良率挑戰(zhàn)更大，可以說是一步險(xiǎn)棋。

三星一位高管表示：“與臺積電和SK海力士不同，芯片設(shè)計(jì)人員參與HBM4生產(chǎn)是我們的獨(dú)特優(yōu)勢?！蹦壳?，三星已在其設(shè)備解決方案部門新設(shè)“HBM開發(fā)組”，專注于推進(jìn)HBM4技術(shù)。

對于三星的計(jì)劃，SK海力士和臺積電已準(zhǔn)備采取相應(yīng)措施，據(jù)了解，兩家公司決定在原計(jì)劃的12納米制程基礎(chǔ)上，增加5納米制程工藝來生產(chǎn)HBM4。

此外，三星先進(jìn)封裝團(tuán)隊(duì)高管Dae Woo Kim在2024年度韓國微電子與封裝學(xué)會年會上表示，三星成功制造了基于混合鍵合技術(shù)的16層堆疊HBM3內(nèi)存，該內(nèi)存樣品工作正常，未來16層堆疊混合鍵合技術(shù)將用于HBM4內(nèi)存量產(chǎn)。

相較現(xiàn)有鍵合工藝，混合鍵合無需在DRAM內(nèi)存層間添加凸塊，而是將上下兩層直接銅對銅連接，可顯著提高信號傳輸速率，更適合AI計(jì)算對高帶寬的需求，還可降低DRAM層間距，減少HBM模塊整體高度。

面對兩大韓國廠商的強(qiáng)勢出擊，身為美國唯一存儲芯片大廠的美光雖然目前的市場占比并不高，卻放出豪言，預(yù)計(jì)2025年，其HBM市占率將與美光的DRAM市占率相當(dāng)，達(dá)到約為20-25%。并且，美光預(yù)計(jì)將在2026年推出12和16層堆疊的HBM4，帶寬超過1.5TB/s；到2027~2028年，還將發(fā)布12層和16層堆疊的HBM4E，帶寬可達(dá)2TB/s以上。

可以預(yù)見，各大廠商對于HBM這塊大蛋糕的競爭將越來越激烈，我們也有望看到更多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到HBM之中，助力AI攀上新高度。

作者丨許子皓編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東