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【存储器】存储巨头争霸HBM

来源:全球半导体观察    原作者:张明花    

巨头之间的竞争从不曾停歇。在内存领域,一场关于HBM(High Bandwidth Memory,高带宽存储器)的竞逐赛已悄然打响。

从2D到3D  DRAM之“革命”

作为存储器市场的重要组成部分,DRAM技术不断地升级衍生。近年来,如同闪存从2D NAND向3D NAND发展一样,DRAM也正在从2D向3D技术发展,其中HBM为主要代表产品。

据了解,HBM主要是通过硅通孔(Through Silicon Via, 简称“TSV”)技术进行芯片堆叠,以增加吞吐量并克服单一封装内带宽的限制,将数个DRAM裸片像摩天大厦中的楼层一样垂直堆叠,裸片之间用TVS技术连接。

“TSV——在DRAM芯片上搭上数千个细微孔并通过垂直贯通的电极连接上下芯片的技术。该技术在缓冲芯片(buffer chip)上将数个DRAM芯片堆叠起来,并通过贯通所有芯片层的柱状通道传输信号、指令、电流。相较传统封装方式,该技术能够缩减30%体积,并降低50%能耗。”HBM的主要供应商SK海力士在其新闻稿中如此介绍。

(图片来源:SK海力士官网)

凭借TSV方式,HBM大幅提高了容量和数据传输速率,与传统内存技术相比,HBM具有更高带宽、更多I/O数量、更低功耗、更小尺寸,可应用于高性能计算(HPC)、超级计算机、大型数据中心、人工智能/深度学习、云计算等领域。随着5G商用到来,存储数据量激增,市场对于HBM的需求将有望大幅提升。

从技术角度看,HBM使得DRAM从传统2D转变为立体3D,充分利用空间、缩小面积,正契合半导体行业小型化、集成化的发展趋势。HBM突破了内存容量与带宽瓶颈,被视为新一代DRAM解决方案,业界认为这是DRAM通过存储器层次结构的多样化开辟一条新的道路,革命性提升DRAM的性能。

美光新入局  三巨头齐争霸

在HBM的诞生与发展过程中,AMD和SK海力士可谓功不可没。据了解,最早是AMD意识到DDR的局限性并产生开发堆叠内存的想法,后来其与SK海力士联手研发HBM;2013年,SK海力士将TSV技术应用于DRAM,在业界首次成功研发出HBM;2015年,AMD在Fury系列显卡上首次商用第一代HBM技术。

第一代HBM面世商用后,SK海力士与三星即开始了一场你追我赶的竞赛。

2016年1月,三星宣布开始批量生产4GB HBM2 DRAM,同时表示将在同一年内生产8GB HBM2 DRAM封装,随后于2017年7月宣布增产8GB HBM2;2017年下半年,被三星后来者居上的SK海力士亦开始量产HBM2;2018年1月,三星宣布开始量产第二代8GB HBM2“Aquabolt”。

近两年来,SK海力士和三星均开始加速布局HBM。2019年8月,SK海力士宣布成功研发出新一代“HBM2E”,并于今年7月宣布开始量产;2020年2月,三星正式宣布推出其16GB HBM2E产品“Flashbolt”,当时表示将在今年上半年开始量产。

(图片来源:三星官网)

根据三星官方介绍,其16GB HBM2E Flashbolt通过垂直堆叠八层10纳米级16千兆比特(GB)DRAM晶片,能够提供高达410千兆比特/秒(GB/s)的卓越内存带宽级别和每引脚3.2 GB/s的数据传输速度。

SK海力士方面表示,其HBM2E以每个引脚3.6Gbps的处理速度,每秒能处理超过460GB的数据,包含1024个数据I/O(输入/输出);通过TSV技术垂直堆叠8个16GB芯片,其HBM2E单颗容量16GB。

(图片来源:SK海力士官网)

至此,SK海力士与三星的步伐均来到了量产HBM2E。据SK海力士7月在其新闻稿中透露,现在正是走向HBM3的时候了,目前JEDEC在讨论制定HBM3产品的标准。

竞逐赛仍在继续,值得一提的是,今年另一家存储器巨头美光亦宣布加入到这一赛场中来。

据报道,今年3月美光在其财报电话会议上表示,今年晚些时候将推出其首款HBM DRAM方案。报道还称,美光的HBM2E计划将在2020下半年上市,并预计美光HBMNext将在2022年面世,HBMNext可能是HBM2E技术的升级版本。

TrendForce集邦咨询发布的2020第二季度全球DRAM厂自有品牌内存营收排名显示,三星、SK海力士、美光依次位列前三,占据了DRAM超过90%市场份额。随着美光的加入,HBM赛场集齐三大DRAM巨头,主要玩家从原来的两强激战变成三雄争霸之格局。

或许,这一场竞逐赛才刚刚开始。

上下游厂商发力 抢占先机

在存储巨头们激烈角逐的同时,上下游厂商亦在积极布局。

如客户方面,AMD和英伟达两大显卡厂商已多次在其产品上采用HBM DRAM。AMD当初携手SK海力士研发HBM,并在其Fury显卡采用全球首款HBM;2017年AMD旗下Vega显卡使用HBM 2,再如2019年AMD Radeon VII显卡搭载的亦为HBM2。

今年年初,媒体曝光AMD下一代显卡将采用HBM2E,不过其今年10月发布的Radeon RX 6900 XT并未搭载,但基于SK海力士与三星均已量产HBM2E,或许AMD的产品亦已在路上。

英伟达对HBM的热情不逊于AMD。2016年,英伟达发布其首个采用帕斯卡架构的显卡Tesla P100,这款产品搭载HBM2并于2017年4月开始供货,包括后面的Tesla V100也采用了HBM2;此外,2017年初英伟达发布的Quadro系列专业卡中的旗舰GP100亦采用了HBM2。今年5月,英伟达推出Tesla A100计算卡,也搭载了容量40GB HBM2。

英特尔也曾在其产品上集成HBM。2017年12月,英特尔发布了全球首款集成HBM2显存的FPGA(现场可编程阵列)芯片“Strtix 10 MX”,可提供高达512GB/s的带宽,相比于独立DDR2显存提升了10倍。

值得一提的是,晶圆代工厂商包括如台积电、格芯等也在发力HBM相关技术。

今年3月,台积电宣布与与博通合作强化CoWoS平台,该平台技术常用于HBM的整合封装,新一代CoWoS技术能够容纳多个逻辑系统单芯片以及多达6个HBM,提供高达96GB的存储容量。

前不久,业内消息称台积电将量产其第六代CoWoS技术,可在单个封装内集成12颗HBM。

2019年11月,格芯与SiFive也宣布共同开发基于12LP / 12LP+ FinFET工艺的HBM2E。据介绍,SiFive基于格芯12LP平台和12LP+解决方案的可定制HBM接口将实现高带宽存储轻松集成到单个片上系统(SoC)解决方案中。

结语

存储巨头相继入局、上下游厂商发力,HBM受到越来越多的关注与青睐,有人甚至认为HBM未来将取代DDR。目前而言,DDR仍为DRAM市场主流产品,HBM市场占比较低,亦仍有待进一步提升技术、降低成本,但随着5G时代到来,HBM未来或将大有所为。

封面图片来源:拍信网