HBM內(nèi)存：韓國人的游戲
編者按：本文來自微信公眾號硅基研習(xí)社（ID:gh_8448ad119f2e），作者：何律衡，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
2020年5月，一年兩度的英偉達(dá)GTC大會由于疫情原因無法舉辦，英偉達(dá)官方索性連線上直播都懶得走形式，發(fā)布會改為播放CEO黃仁勛在自家廚房拍攝的視頻。
(相關(guān)資料圖)
視頻中，老黃從灶臺里掏出了當(dāng)晚的主角：基于7nm工藝的A100 GPU。
黃仁勛“預(yù)熱”A100 GPU
這顆芯片和今年3月發(fā)布的H100 GPU一起，成為了大煉AI的入場券，直接把英偉達(dá)送上了萬億美元市值。伴隨單價25萬人民幣的H100 GPU供不應(yīng)求，背后的另一個大贏家也慢慢浮出水面：韓國內(nèi)存廠商。
A100和H100的顯存模塊并沒有采用常用的DDR/GDDR內(nèi)存，而是HBM內(nèi)存。目前，能夠穩(wěn)定量產(chǎn)HBM的廠家，只有韓國的三星和SK海力士。
相比DDR/GDDR等路線，HBM大幅度提高了內(nèi)存帶寬，完美貼合了AI訓(xùn)練對數(shù)據(jù)傳輸效率近乎病態(tài)的追求。
所謂帶寬，可以簡單理解為內(nèi)存讀取/寫入數(shù)據(jù)的效率，一般帶寬越高，數(shù)據(jù)的吞吐能力就越強(qiáng)。英偉達(dá)針對美國禁令專門推出的特供版A800、H800 GPU中，主要縮水的部分就是帶寬，只有原版GPU的3/4左右。
包括內(nèi)存在內(nèi)的存儲芯片是當(dāng)之無愧的“半導(dǎo)體石油”，市場規(guī)模長期占據(jù)整個半導(dǎo)體市場近三分之一。廣義的存儲包括內(nèi)存、硬盤、閃存等門類。
不過由于產(chǎn)品高度標(biāo)準(zhǔn)化，每隔幾年就要來一次價格戰(zhàn)，上演大魚吃小魚的戲碼。在市場規(guī)模較大的內(nèi)存和閃存兩個門類，經(jīng)過多次價格周期，主流玩家已經(jīng)所剩無幾。
這兩年原本是存儲市場的冬天，DRAM和NAND芯片價格持續(xù)下探，SK海力士連續(xù)虧損兩個季度，三星一季度凈利潤更是暴跌86.1%。原本大家都在節(jié)衣縮食過日子，但AI訓(xùn)練的熱潮讓原本不溫不火的HBM內(nèi)存逆勢增長，成了全村的希望。
在消費(fèi)電子時代大殺四方的韓國內(nèi)存，似乎又成了AI時代的第一個贏家。
日本人先動的手HBM內(nèi)存的前身3D DRAM內(nèi)存，誕生在韓國芯片產(chǎn)業(yè)的死對頭日本。
2009年9月，日本存儲大廠爾必達(dá)宣布，成功開發(fā)了業(yè)內(nèi)首款3D DRAM。爾必達(dá)成立于世紀(jì)初日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)風(fēng)雨飄搖的年代，由日立、NEC和三菱三家企業(yè)的存儲部門組合而來，肩負(fù)著重振日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的使命。
結(jié)果金融危機(jī)期間，由于需求萎縮疊加三星逆勢擴(kuò)產(chǎn)，爾必達(dá)積累了天量的虧損和債務(wù)，命懸一線。
作為公司掌舵者，坂本幸雄深知爾必達(dá)難以在大規(guī)模生產(chǎn)能力上戰(zhàn)勝三星，于是選擇與日本官方合作，加快鮮有廠商涉足的3D DRAM的研究，從技術(shù)上反攻韓國人。同一時期，東芝在技術(shù)路線上類似的閃存門類，成功量產(chǎn)了全球首款3D NAND閃存，無疑大大增強(qiáng)了爾必達(dá)的信心。
所謂3D DRAM/3D NAND，可以簡單理解為將很多塊DRAM/NAND芯片像蓋房子一樣垂直堆疊起來。東芝的第一塊3D NAND就通過自研的BiCS技術(shù)，垂直堆疊了8塊NAND芯片。
從2D DRAM到3D DRAM；圖源：Business Korea
3D堆疊的優(yōu)勢在于，可以在不增加芯片面積的情況下，盡可能做大容量和帶寬，而且不需要先進(jìn)制程。另一個思路則是用更先進(jìn)的工藝制程，可以做到同樣的效果，但成本會大幅增加。這在成本決定輸贏的存儲領(lǐng)域，無異于飲鴆止渴。
（具體原因涉及比較復(fù)雜的DRAM運(yùn)行原理，感興趣的讀者可以移步文末“注1”瀏覽）
爾必達(dá)的另一個算盤在于，為當(dāng)時方興未艾的移動終端市場做準(zhǔn)備，實現(xiàn)彎道超車：
作為iPhone的內(nèi)存供應(yīng)商，坂本幸雄深知智能手機(jī)、平板、超級本這類便攜設(shè)備的市場潛力，3D DRAM封裝體積小、功耗低的特點，與移動設(shè)備便攜省電的訴求，幾乎是天作之合。
2011年6月，爾必達(dá)宣布，由4片DRAM堆疊而成的8G內(nèi)存顆粒已經(jīng)進(jìn)入送樣階段。爾必達(dá)通過直通硅晶穿孔(Through Silicon Vias；TSV) 技術(shù)，在堆疊芯片的同時大幅度提高了內(nèi)存帶寬，相比傳統(tǒng)的8G DRAM，芯片面積縮小了70%，預(yù)計一年后就可以量產(chǎn)。
但人算不如天算，一年之后，爾必達(dá)沒等來3D DRAM的訂單，反而等來了公司的破產(chǎn)。
金融危機(jī)后，三星依靠體量優(yōu)勢在內(nèi)存價格低谷期瘋狂擴(kuò)產(chǎn)，頂住虧損進(jìn)一步拉低價格，將競爭對手?jǐn)D壓出去。同在韓國的海力士半導(dǎo)體就因為債臺高筑，在爾必達(dá)破產(chǎn)的同一年被SK集團(tuán)收入囊中，成為了如今的SK海力士。
考慮到三星的反周期屠刀砍起來連同胞都不放過，利潤率更微薄的爾必達(dá)處境可想而知。坂本幸雄在破產(chǎn)發(fā)布會上的一句“爾必達(dá)技術(shù)水平很高”，濃縮了所有的落寞與不甘。
伴隨爾必達(dá)的坍塌，被寄予厚望的3D DRAM也隨之沉寂。雖然以iPhone為代表的移動終端市場增長迅猛，但絕大部分產(chǎn)品都采用了成本更低的LPDDR（Low Power DDR）內(nèi)存。3D DRAM作為一種非常超前的技術(shù)理念，在曇花一現(xiàn)后便被束之高閣。
直到2015年，另一個與爾必達(dá)處境極其相似的公司，把這項技術(shù)從故紙堆里翻了出來。
美國人來了2015年6月，AMD在洛杉磯的貝拉斯科劇院發(fā)布了其新款旗艦顯卡：Fiji架構(gòu)的Radeon R9 Fury X。
在這塊GPU的封裝基板上，除了GPU芯片，只有供電電路和輸出接口器件，原本圍繞在GPU芯片周圍的顯存芯片不見了，取而代之的是和GPU封裝在一起，由多顆顯存芯片垂直堆疊而成的顯存顆粒，整塊顯卡的面積大幅度縮小。
在發(fā)布會上，AMD也給這種新型顯存取了個新的名字：HBM（High Bandwidth Memory）。
AMD的Fiji系列顯卡將顯存與GPU封裝在了一起，大幅縮小了芯片面積
2006年，AMD豪擲54億美元收購了GPU公司ATI，希望憑借CPU和GPU的集成路線，扭轉(zhuǎn)與英特爾競爭中的頹勢。然而此后幾年，CPU產(chǎn)品線的存在感一度只剩下網(wǎng)絡(luò)段子，收購而來的GPU也一如既往的被英偉達(dá)按在地上摩擦。
伴隨Tesla架構(gòu)和CUDA平臺的推出，英偉達(dá)大有一統(tǒng)GPU市場的氣勢。以9800GT為代表的Geforce 9系列顯卡，一度成為國內(nèi)網(wǎng)吧的一代神卡。
2012年，蘇姿豐在AMD股價最低點接手后，把大部分資源傾斜到了公司的老本行CPU業(yè)務(wù)，面對英偉達(dá)在GPU市場越來越夸張的市場份額，AMD也寄望以新技術(shù)作為突破口彎道超車。
這個突破口，就是當(dāng)時GPU領(lǐng)域正在暴露的痛點：帶寬。
GPU和CPU都遵循著馮·諾依曼架構(gòu)，其核心在于“存算分離”——即芯片處理數(shù)據(jù)時，需要從外部的內(nèi)存中調(diào)取數(shù)據(jù)，計算完成后再傳輸?shù)絻?nèi)存中，一來一回，都會造成計算的延遲。同時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹皵?shù)量”也會因此受限制。
舉例來說，可以將GPU和顯存/內(nèi)存的關(guān)系比作上海的浦東和浦西，兩地間的物資（數(shù)據(jù)）運(yùn)輸需要依賴南浦大橋，南浦大橋的車道數(shù)量決定了物資運(yùn)輸?shù)男?，這個車道數(shù)量就是內(nèi)存帶寬，它決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，也間接影響著GPU的計算速度。
1980年到2000年，GPU和顯存/內(nèi)存的“速度失配”以每年50%的速率增加。也就是說，南浦大橋車道拓寬的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足兩地物資運(yùn)輸?shù)脑鲩L，這就導(dǎo)致在游戲等高性能計算的場景下，帶寬成為了越來越明顯的瓶頸。
CPU/GPU性能與DRAM性能之間的差距正在拉大
為了解決這個問題，AMD的思路很直接：把浦東和浦西拼起來。
AMD的設(shè)想是將DRAM芯片和GPU芯片封裝在一起，相當(dāng)于把浦東和浦西拼在一塊，徹底車道拓寬運(yùn)輸問題。但傳統(tǒng)的2D DRAM由于芯片面積大，封裝在一起難以控制功耗和發(fā)熱問題。而多顆DRAM垂直堆疊，就成了最完美的方案。
于是，沉寂了多年的3D DRAM技術(shù)以HBM的新身份，又一次站上了臺前。
（理論上來說，3D DRAM和HBM并非相同的技術(shù)路線，感興趣的讀者可以移步文末“注2”瀏覽）
將顯存從主芯片外移到主芯片旁邊
早在2008年，爾必達(dá)攻堅3D DRAM的同一時期，AMD就與海力士半導(dǎo)體結(jié)為聯(lián)盟共同攻克HBM。當(dāng)時，全球范圍內(nèi)只有東芝和海力士擁有3D NAND閃存的堆疊經(jīng)驗，但東芝在2001年就退出了DRAM業(yè)務(wù)，海力士成了AMD唯一的選擇。
2015年前后，4K分辨率開始普及，AMD希望借助4K游戲?qū)挼男枨?，抄一波英偉達(dá)的后路。隨后，搭載AMD Fiji的Radeon R9 Fury X，功耗比超越了英偉達(dá)同年的Kepler架構(gòu)新品，首次在紙面性能上壓了對手一頭。
但遺憾的是，由于老舊的GCN架構(gòu)拖后腿，沒能讓HBM的好處完全凸顯出來。同時，相對主流的DDR/GDDR路線，HBM的高成本問題依然難以解決，無法在消費(fèi)級市場大面積鋪開。
蘋果的MacBook曾推出過一款HBM顯存的機(jī)型，選配價格感人：
AMD厲兵秣馬多年，最終換來了一個鎩羽而歸的結(jié)局，但HBM的春天卻在人工智能的浪潮中意外到來。
韓國人的游戲2016年，谷歌的AlphaGo在全球社交媒體的注視下，戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石，深度學(xué)習(xí)橫空出世，將科幻作品中的人工智能變得觸手可及。
拋開文藝作品的濾鏡，深度學(xué)習(xí)的本質(zhì)是數(shù)學(xué)和概率論，其核心在于通過海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，確定函數(shù)中的參數(shù)，在決策中帶入實際數(shù)據(jù)得到最終的解。在這當(dāng)中，承擔(dān)模型訓(xùn)練的就是AI芯片。
理論上來說，數(shù)據(jù)量越大得到的函數(shù)參數(shù)越可靠，這就給AI芯片的數(shù)據(jù)吞吐量及數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t性帶來了挑戰(zhàn)。這也是AlphaGo使用英偉達(dá)的GPU作為模型訓(xùn)練芯片的原因：
在當(dāng)時，沒有什么芯片比英偉達(dá)的GPU數(shù)據(jù)吞吐量更高、更適合訓(xùn)練模型的了。
但這還不夠，因為AI模型對算力的需求正在以月為單位指數(shù)級暴漲，OpenAI在2018年發(fā)布過一份報告：AI算力需求每個月翻番，這是被芯片行業(yè)奉為圭臬的摩爾定律花費(fèi)18個月才能完成的事情。
于是，原本在GPU/CPU上只是稍顯棘手的性能瓶頸，放在AI芯片上，就變成了刻不容緩解決的大問題。在這個節(jié)骨眼上誕生的HBM，其高帶寬、低延遲的特性，幾乎是為AI芯片量身定做的。
2017年，AlphaGo再戰(zhàn)另一世界圍棋冠軍柯潔，訓(xùn)練芯片卻換上了自家研發(fā)的TPU。在芯片設(shè)計上，從第二代開始的每一代TPU，都采用了HBM的設(shè)計。
同一時期，英偉達(dá)緊跟AMD推出了針對數(shù)據(jù)中心和深度學(xué)習(xí)的新款GPU：Tesla P100，搭載了三星的首個第二代HBM內(nèi)存（HBM2）。
目前，面向高性能計算市場的GPU芯片，幾乎都配備了HBM內(nèi)存。
伴隨AI的快速繁榮，存儲巨頭們圍繞HBM的競爭也迅速展開，但主角只有韓國人。
2010年，三星就緊隨SK海力士開始了HBM內(nèi)存的研發(fā)，并在2016年搶先SK海力士成功量產(chǎn)HBM2，將每個HBM堆棧容量提升至8GB，此后又率先量產(chǎn)第三代HBM的青春版HBM3E。
2021年10月，一直緊咬三星的SK海力士又成功量產(chǎn)HBM3，重新奪回主動權(quán)。
韓國公司你追我趕的時候，內(nèi)存三巨頭之一的美光卻因為技術(shù)路線判斷失誤意外掉隊，成為了一個尷尬的旁觀者。
2022年，全球50%的HBM出貨來自SK海力士，40%來自三星，美光只有10%（TrendForce口徑）。TrendForce預(yù)測，今年SK海力士會將占比進(jìn)一步擴(kuò)大至53%，三星將拿下38%，美光則將下滑至9%。
至此，HBM徹底成為了韓國人的游戲。
韓國人做對了什么？存儲曾是日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一塊金字招牌，在經(jīng)歷了美國人領(lǐng)導(dǎo)20年（1966-1986）、日本人壟斷的12年（1986-1998）后，已經(jīng)迎來韓國人統(tǒng)治的第25年。
提及韓日在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的多年鏖戰(zhàn)，三星“越虧越投”的反周期大法似乎是繞不開的環(huán)節(jié)，但這并不足以概括韓國人從落后到反超的原因。
存儲芯片是一類特殊的芯片產(chǎn)品，它需要技術(shù)上的領(lǐng)先，但新技術(shù)的普及又需要下游終端市場的帶動。同時， 由于產(chǎn)品高度標(biāo)準(zhǔn)化，再高端的技術(shù)路線也需要與成本相權(quán)衡。
HBM并不是一項新技術(shù)，但由于長期缺乏規(guī)模足夠大的下游市場，導(dǎo)致HBM一直無法普及，直到深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)改變了這一點。
即便在日韓存儲產(chǎn)業(yè)競爭最激烈的時期，韓國公司的思路依然是：不花費(fèi)太多成本研究最先進(jìn)的技術(shù)，只需要做到“日本人有的我們也有”。
2007年，東芝率先量產(chǎn)了3D NAND閃存，爾必達(dá)隨后成功試產(chǎn)3D DRAM，但三星和SK海力士迅速推出了類似的技術(shù)，并且依靠更強(qiáng)大的生產(chǎn)能力與產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋實現(xiàn)了反超。
由于HBM大多需要與GPU/CPU封裝在一起，涉及到制造、封裝等多個芯片生產(chǎn)流程，并非存儲企業(yè)單兵作戰(zhàn)可以解決。爾必達(dá)當(dāng)年雖然做出了3D DRAM的技術(shù)方案，但在最關(guān)鍵的良率爬坡環(huán)節(jié)，不得不向臺灣地區(qū)的代工、封裝企業(yè)求援。
比起三番五次求日本銀行業(yè)貸款支援的爾必達(dá)，韓國公司無論是資源整合能力，還是對本國產(chǎn)業(yè)鏈的號召力，在全球半導(dǎo)體市場幾乎都獨一無二，在SK海力士開發(fā)HBM的過程中，就有多家韓國本土供應(yīng)商加入，大大加快了開發(fā)進(jìn)程。
雖然HBM目前的市場規(guī)模還不到整個存儲芯片市場的1/10，也不乏其他技術(shù)競爭，但決定其能否普及的成本問題，恰恰卻是三星和SK海力士最擅長解決的——依靠大規(guī)模生產(chǎn)能力快速降低成本，拉高其他公司參與競爭需要的投資門檻。
有些諷刺的是，用大規(guī)模生產(chǎn)能力將誕生在美國的新技術(shù)快速產(chǎn)業(yè)化，恰恰是日本存儲芯片在80年代大放異彩的原因。90年代后，日本社會普遍不滿足于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的成功，尤其是以貝爾實驗室為代表的大公司研究院模式，更是被日本反復(fù)學(xué)習(xí)效仿。
對技術(shù)的崇信可以在一些產(chǎn)業(yè)獲得巨大的成功，比如至今仍被日本壟斷的半導(dǎo)體材料。但在存儲市場，技術(shù)并不是唯一的勝負(fù)手。
爾必達(dá)的3D DRAM縱然在移動設(shè)備上有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，但并沒有阻擋成本更低的LPDDR方案迅速普及。當(dāng)更適合AI的HBM迅速增長時，日本人早就下了牌桌。正如湯之上隆在書中概括：
日本人通常把性能和質(zhì)量放在第一位，往往忽視生產(chǎn)成本。這是因為日本人擁有一種獨特的感性認(rèn)識，他們習(xí)慣將技術(shù)和金錢劃清界限，主張技術(shù)神圣，金錢骯臟。
技術(shù)的領(lǐng)先可以畢其功于一役，但一個產(chǎn)業(yè)的拔地而起，既需要產(chǎn)業(yè)鏈的合理布局，又需要強(qiáng)大的資源整合能力與供應(yīng)鏈上下游的密切協(xié)作，以及技術(shù)與商業(yè)上的反復(fù)權(quán)衡。日本在技術(shù)上一度領(lǐng)先，但韓國人最終獲得了商業(yè)的勝利。
坂本幸雄反復(fù)念叨的“爾必達(dá)技術(shù)世界第一”并沒有什么問題，直到破產(chǎn)那天，爾必達(dá)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)儲備依然領(lǐng)先韓國人。但在京畿道城南市三星電子總部徹夜的歡呼聲中，他的不甘與嘆息是如此不值一提。
參考資料[1]“HBM”詞條，SemiWiki
[2]HBM需求激增 SK海力士受益，TrendForce
[3]HBM提供了令人印象深刻的性能提升，NetworkWorld
[4]人工智能推動HBM增長，EETAsia
[5]內(nèi)存革命：存儲巨頭爭霸HBM，TrendForce
[6]數(shù)據(jù)中心即將進(jìn)入HBM3時代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
[7]HBM在AI系統(tǒng)中的問題，Semiengineering
[8]HBM會替代DDR 成為計算機(jī)內(nèi)存嗎？EETAsia
[9]為什么存儲器會成為阻礙AI發(fā)展的難題？雷鋒網(wǎng)
[10]廠商戮力開發(fā)新應(yīng)用 晶片立體堆疊技術(shù)未來可期，新電子雜志
[11]TSV 3D IC面臨諸多挑戰(zhàn)，DIGITIMES
[12]一文看懂3D NAND Flash，超能網(wǎng)
[13]3D DRAM Makers Inch CloserTo Production，SemiEngineering
注1:與依靠晶體管傳遞電氣信號的邏輯芯片（如CPU）不同，大部分存儲器依靠核心單元中電荷的多寡區(qū)分“0”和“1”，用這種手段來存儲信息。隨著存儲器2D平面（也就是不堆疊的一塊晶圓）微縮進(jìn)入納米制程，這種運(yùn)行機(jī)制帶來的不穩(wěn)定性越發(fā)凸顯：
用于存儲電荷的單元越小，電荷越容易跑出去，也就是我們常說的“漏電”，最終的結(jié)果是數(shù)據(jù)錯誤，可靠性下降。問題并非不可解決，也就是用更先進(jìn)的制程。但這樣做的話，成本也會大幅度提高。
蘋果的A系列芯片已經(jīng)用上了3nm制程，但主流的存儲芯片還在“考慮”是否應(yīng)用10nm。
注2:作為存儲器市場最大的兩個品類，NAND閃存和DRAM垂直堆疊上有相似之處，但也有不同的地方：
NAND閃存是存儲器陣列（memory array）堆疊，字位線（bitline）豎著做，可以想象成公寓樓的架構(gòu)。目前，主要的生產(chǎn)商已經(jīng)堆疊到了300層。根據(jù)最新可查的信息，長江存儲的NAND閃存已經(jīng)堆疊到了232層，達(dá)到了國際一流水平。
但3D DRAM堆疊的難處在于，電容器是柱狀結(jié)構(gòu)，要從豎著做變成橫著放，字位線也要相應(yīng)的豎著做，與NAND堆疊難度不在一個級別。
伴隨爾必達(dá)破產(chǎn)，3D DRAM曇花一現(xiàn)便被束之高閣，廠商們繼續(xù)著DDR內(nèi)存規(guī)格的迭代升級，尋找著除了2D平面微縮之外提高存儲顆粒密度的其他辦法，比如從傳統(tǒng)的6F2架構(gòu)改成4F2架構(gòu)等。
NAND閃存堆疊方法
DRAM堆疊方法
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