HBM4商用提速，存儲三巨頭各揣殺手锏
又到了半導體企業紮堆公布第二季度财報的日子，其中最開心的，一定少不了觸底反彈的幾家存儲晶片廠商。據了解，三星第二季度業績顯著提升，營業利潤高達10.44萬億韓元（約合人民币549億元），同比驟增1462.29%;淨利潤為9.8413萬億韓元（約合人民币517.7億元），同比大增470.97%,實作了近14年來最大幅度的淨利潤增長，而它的南韓友商SK海力士表現同樣強勁，第二季度營收增長125%至16.42萬億韓元（約合人民币867億元）創下曆史新高；經營利潤環比增長89%至5.47萬億韓元（約合人民币288.8億元），創2018年二季度以來的最高水準。而此前釋出2024财年第三季度财報的美光總營收為68.1億美元，較上年同期的37.5億美元同比增長81.6%，遠超市場預期。
HBM的架構（來源:AMD東方證券研究所）
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展東風的HBM（高帶寬存儲器），這也堅定了各大存儲廠商進一步加大投資，研發下一代HBM的決心。當下，HBM3E是市場主流，但是，行業标準制定組織JEDEC固态技術協會日前釋出消息稱，HBM4标準即将定稿，新一輪的技術搶位大戰也宣告拉開序幕。
HBM4的提升将是一次質的飛躍
目前，AI旺盛的市場需求不斷刺激着半導體市場。其中AI伺服器對晶片記憶體容量和傳輸帶寬提出更高要求，拉動了高端存儲晶片和高密度存儲模組的出貨增長，尤其是HBM技術的疊代更新和應用。
據Mordor Intelligence預測，從2024年到2029年，HBM市場規模預計将從約25.2億美元激增至79.5億美元，預測期内複合年增長率高達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的規格疊代。
據了解，自2015年HBM技術釋出至今，HBM已經從HBM1更新到了HBM3E。每一次技術更新疊代，都會讓HBM在帶寬、容量、能效、架構以及市場應用等方面取得顯著提升。這些提升不僅推動了記憶體技術的發展和創新，也為高性能計算和人工智能等領域的發展提供了強大的支援。
SK海力士公布的HBM技術路線圖（來源：SK海力士）
如今，各大存儲廠商積極着手下一代HBM技術——HBM4的研發。根據JEDEC固态技術協會釋出的HBM4的初步規範，HBM4将支援每個堆棧2048位接口，資料傳輸速率高達6.4GT/s，同時還支援更廣泛的記憶體層配置，以更好地應對不同類型的應用需求。新的HBM4标準将包含24GB和32GB層，提供4高、8高、12高和16高TSV（矽通孔）堆棧配置。
TrendForce集邦咨詢分析師王豫琪表示，HBM4提高了單個堆棧内的層數，從HBM3的最多12層增加到了最多16層。這一改變對記憶體的容量和帶寬有顯著的影響。
對于容量，堆棧層數的增加直接導緻了單個HBM4晶片的容量增加。這是因為每一層都可以存儲資料，更多的層數意味着更大的總容量。例如，HBM3的單個堆棧最大容量為16Gb，而HBM4則可以達到32Gb。對帶寬來說，堆棧層數的增加通常伴随着更多的并行資料通道。HBM4通過将每個堆棧的通道數翻倍，顯著提高了并發資料傳輸的能力。更多的層數還意味着更多的I/O接口，這有助于減少資料傳輸的延遲，尤其是在多處理器或多GPU系統中，可以更高效地進行資料交換。
此外，還有一個值得注意的關鍵點是，HBM在所有疊代中都保留了相同的1024位接口，即以相對适中的時脈速度運作的超寬接口。然而，随着記憶體傳輸速率要求不斷提高，尤其是在DRAM單元的基礎實體原理沒有改變的情況下，1024位接口已經無法滿足未來AI場景的資料傳輸要求。是以，HBM4需要對高帶寬記憶體技術進行更實質性的改變，也就是更新為更寬的2048位記憶體接口。
專家表示，接口寬度從1024位增加到2048位會對資料傳輸性能産生直接的影響，主要展現在以下幾個方面。一是帶寬增加，接口寬度增加意味着可以傳輸更大的資料位。1024位接口可以同時發送1024位（即128位元組）資料。當接口寬度增加到2048位時，一次傳輸就可以發送2048位（即256位元組）的資料。二是吞吐量提高，如果1024位接口可以在一秒内傳輸1GB的資料，那麼2048位接口在同一秒内理論上可以傳輸2GB的資料。三是效率提升，特别是在需要大量資料傳輸的應用中，如高性能計算、圖形處理和資料中心伺服器等。
各大企業各顯神通搶先機
HBM作為當下存儲廠商的兵家必争之地，可謂是得技術者得天下，SK海力士作為HBM技術的先行者，始終保持着技術領先優勢，基本在每一代HBM新産品的釋出上都壓了三星等其他存儲廠商一頭。市場研究公司TrendForce報告顯示，2023年，SK海力士以53%的市場佔有率領先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的HBM關鍵供應商。
對于HBM4的市場佔有率，SK海力士勢在必得。
今年4月，SK海力士宣布與台積電簽署了一份諒解備忘錄，雙方将合作生産下一代HBM，并通過先進的封裝技術提高邏輯和HBM的內建度。據了解，兩家公司将首先對HBM封裝内最底層的基礎裸片進行性能改善。SK海力士以往的HBM産品都是基于公司自身制程工藝制造基礎裸片，但從HBM4産品開始計劃采用台積電的先進邏輯工藝。若在基礎裸片采用超細微工藝，可以增加更多的功能。由此，公司計劃生産在性能和功效等方面更廣泛地滿足客戶需求的定制化HBM産品。SK海力士HBM負責人Kim Gwi-wook表示，SK海力士計劃在2025年下半年推出12層DRAM堆疊的首批HBM4産品，于2026年推出16層堆疊的HBM4E産品，記憶體帶寬将是HBM4的1.4倍。産品面市時間将“與英偉達AI加速器釋出周期保持一緻”。
在上個月，英偉達、台積電和SK海力士三大巨頭宣布将組建“三角聯盟”，為迎接AI時代共同推進HBM4等下一代技術。可以說，SK海力士目前的勢頭十分強勁。
而誓要捍衛存儲第一大廠地位的三星也不會善罷甘休。對抗台積電和SK海力士的聯手，三星需要另辟蹊徑，押注自家的4納米工藝成了關鍵手段。
據悉，三星原定在HBM4設計采用7納米工藝，一下子提升到4納米，固然在晶片性能和用電量方面表現更優秀。但制程研發的花費更高，且良率挑戰更大，可以說是一步險棋。
三星一位高管表示：“與台積電和SK海力士不同，晶片設計人員參與HBM4生産是我們的獨特優勢。”目前，三星已在其裝置解決方案部門新設“HBM開發組”，專注于推進HBM4技術。
對于三星的計劃，SK海力士和台積電已準備采取相應措施，據了解，兩家公司決定在原計劃的12納米制程基礎上，增加5納米制程工藝來生産HBM4。
此外，三星先進封裝團隊高管Dae Woo Kim在2024年度南韓微電子與封裝學會年會上表示，三星成功制造了基于混合鍵合技術的16層堆疊HBM3記憶體，該記憶體樣品工作正常，未來16層堆疊混合鍵合技術将用于HBM4記憶體量産。
相較現有鍵合工藝，混合鍵合無需在DRAM記憶體層間添加凸塊，而是将上下兩層直接銅對銅連接配接，可顯著提高信号傳輸速率，更适合AI計算對高帶寬的需求，還可降低DRAM層間距，減少HBM子產品整體高度。
面對兩大南韓廠商的強勢出擊，身為美國唯一存儲晶片大廠的美光雖然目前的市場占比并不高，卻放出豪言，預計2025年，其HBM市占率将與美光的DRAM市占率相當，達到約為20-25%。并且，美光預計将在2026年推出12和16層堆疊的HBM4，帶寬超過1.5TB/s；到2027~2028年，還将釋出12層和16層堆疊的HBM4E，帶寬可達2TB/s以上。
可以預見，各大廠商對于HBM這塊大蛋糕的競争将越來越激烈，我們也有望看到更多的先進技術應用到HBM之中，助力AI攀上新高度。
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作者丨許子皓編輯丨張心怡美編丨馬利亞監制丨連曉東