什么是HBM3 為什么HBM很重要

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從高性能計(jì)算到人工智能訓(xùn)練、游戲和汽車應(yīng)用，對帶寬的需求正在推動下一代高帶寬內(nèi)存的發(fā)展。

HBM3將帶來2X的帶寬和容量，除此之外還有其他一些好處。雖然它曾經(jīng)被認(rèn)為是一種“慢而寬”的內(nèi)存技術(shù)，用于減少芯片外內(nèi)存中的信號傳輸延遲，但現(xiàn)在HBM3正變得越來越快，越來越寬。在某些情況下，甚至被用于L4緩存。

Arm首席研究工程師Alejandro Rico表示：“這些新功能將使每傳輸位的焦耳效率達(dá)到更高水平，而且更多設(shè)計(jì)可以使用HBM3-only內(nèi)存解決方案，不需要額外的片外存儲。AI/ML、HPC和數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用可以利用大帶寬來保持可擴(kuò)展性。合理利用HBM3帶寬需要一個具有高帶寬片上網(wǎng)絡(luò)和處理元素的處理器設(shè)計(jì)，通過提高內(nèi)存級并行性來使數(shù)據(jù)速率最大化?！?/p>

人工智能訓(xùn)練芯片通常需要處理萬億字節(jié)的原始數(shù)據(jù)，而HBM3可以達(dá)到這個水平。Rambus的產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Frank Ferro指出：“用戶在開發(fā)ASIC電路來更好地解決人工智能問題的同時，需要更多的帶寬。

每個用戶都試圖想用一個更高效的處理器來實(shí)現(xiàn)他們特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在實(shí)現(xiàn)時達(dá)到更好的內(nèi)存利用率和CPU利用率。對于人工智能訓(xùn)練來說，HBM一直是最佳選擇，因?yàn)樗峁┝烁鄮捄透凸?。雖然價格上有點(diǎn)貴，但對于這些應(yīng)用程序來說（尤其是進(jìn)入云計(jì)算的應(yīng)用程序）還是負(fù)擔(dān)得起的。HBM3實(shí)際上只是一種自然遷移。”

雖然JEDEC尚未公布未獲批準(zhǔn)的HBM3規(guī)范細(xì)節(jié)，但Rambus報告稱其HBM3子系統(tǒng)帶寬將增加到8.4 Gbps（HBM2e為3.6Gbps）。采用HBM3的產(chǎn)品預(yù)計(jì)將在2023年初發(fā)貨。

“當(dāng)芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)是每瓦特內(nèi)存帶寬，或者HBM3是實(shí)現(xiàn)所需帶寬的唯一途徑時，采用HBM3是有益的，”Cadence的IP組總監(jiān)Marc Greenberg表示：“與基于PCB的方法（如DDR5、LPDDR5/5X或GDDR6）相比，這種帶寬和效率的代價是在系統(tǒng)中增加額外的硅，并可能增加制造/組裝/庫存成本。額外的硅通常是一個插入器，以及每個HBM3 DRAM堆棧下面的一個基模?！?/p>

為什么HBM很重要

自HBM首次宣布以來的十年里，已有2.5代標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入市場。在此期間，創(chuàng)建、捕獲、復(fù)制和消耗的數(shù)據(jù)量從2010年的2 ZB增加到2020年的64.2 ZB，據(jù)Statista預(yù)測，這一數(shù)字將在2025年增長近三倍，達(dá)到181 ZB。

Synopsys的高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Anika Malhotra表示：“2016年，HBM2將信令速率提高了一倍，達(dá)到2 Gbps，帶寬達(dá)到256 GB/s。兩年后，HBM2E出現(xiàn)了，實(shí)現(xiàn)了3.6 Gbps和460 GB/s的數(shù)據(jù)速率。性能需求在增加，高級工作負(fù)載對帶寬的需求也在增加，因?yàn)楦叩膬?nèi)存帶寬是實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能的關(guān)鍵因素?！?/p>

“除此之外，為了更快地處理所有這些數(shù)據(jù)，芯片設(shè)計(jì)也變得越來越復(fù)雜，通常需要專門的加速器、片內(nèi)或封裝內(nèi)存儲器及接口。HBM被視為將異構(gòu)分布式處理推到一個完全不同水平的一種方式?！?/p>

“最初，高帶寬內(nèi)存只是被圖形公司視為進(jìn)化方向上的一步；但是后來網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心意識到HBM可以為內(nèi)存結(jié)構(gòu)帶來更多的帶寬。所有推動數(shù)據(jù)中心采用HBM的動力在于更低延遲、更快訪問和更低功耗?！盡alhotra說。“通常情況下，CPU為內(nèi)存容量進(jìn)行優(yōu)化，而加速器和GPU為內(nèi)存帶寬進(jìn)行優(yōu)化。但是隨著模型尺寸的指數(shù)增長，系統(tǒng)對容量和帶寬的需求同時在增長（即不會因?yàn)樵黾尤萘亢?，對帶寬需求降低）。我們看到更多的?nèi)存分層，包括支持對軟件可見的HBM + DDR，以及使用HBM作為DDR的軟件透明緩存。除了CPU和GPU， HBM也很受數(shù)據(jù)中心FPGA的歡迎。”

HBM最初的目的是替代GDDR等其他內(nèi)存，由一些領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司（特別是英偉達(dá)和AMD）推動。這些公司仍然在JEDEC工作組中大力推動其發(fā)展，英偉達(dá)是該工作組的主席，AMD是主要貢獻(xiàn)者之一。

Synopsys產(chǎn)品營銷經(jīng)理Brett Murdock表示：“GPU目前有兩種選擇。一種是繼續(xù)使用GDDR，這種在SoC周圍會有大量的外設(shè)；另一種是使用HBM，可以讓用戶獲得更多的帶寬和更少的物理接口，但是整體成本相對更高。還有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是物理接口越少，功耗越低。所以使用GDDR非常耗電，而HBM非常節(jié)能。所以說到底，客戶真正想問的是花錢的首要任務(wù)是什么？對于HBM3，已經(jīng)開始讓答案朝‘可能應(yīng)該把錢花在HBM上’傾斜?！?/p>

盡管在最初推出時，HBM 2/2e僅面向AMD和Nvidia這兩家公司，但現(xiàn)在它已經(jīng)擁有了龐大的用戶基礎(chǔ)。當(dāng)HBM3最終被JEDEC批準(zhǔn)時，這種增長有望大幅擴(kuò)大。

關(guān)鍵權(quán)衡

芯片制造商已經(jīng)明確表示，當(dāng)系統(tǒng)中有插入器時HBM3會更有意義，例如基于chiplet的設(shè)計(jì)已經(jīng)使用了硅插入器。Greenberg表示：“在許多系統(tǒng)中還沒有插入器的情況下，像GDDR6、LPDDR5/5X或DDR5這樣的PCB內(nèi)存解決方案可能比添加插入器來實(shí)現(xiàn)HBM3更具成本優(yōu)勢?！?/p>

然而，隨著規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)揮作用，這些權(quán)衡可能不再是一個問題。Synopsys的Murdock表示，對于使用HBM3的用戶來說，最大的考慮是管理PPA，因?yàn)榕cGDDR相比，在相同的帶寬下，HBM設(shè)備的硅面積更小、功耗更低，需要處理的物理接口也更少。

“此外，與DDR、GDDR或LPDDR接口相比，IP端的HBM設(shè)備在SoC上的物理實(shí)現(xiàn)方法相當(dāng)野蠻粗暴。對于一般物理接口，我們有很多方法去實(shí)現(xiàn)它：可以在模具的側(cè)面放一個完整的線性PHY，可以繞過拐角，也可以把它折疊起來。但是對于HBM，當(dāng)要放下一個HBM立體時，JEDEC已經(jīng)準(zhǔn)確地定義了這個立體上的bump map是什么樣子的。用戶將把它放在插入器上，它將緊挨著SoC，所以如何在SoC上構(gòu)建bump map只有一個可行的選擇。”

這些決策會影響可靠性。雖然在bump方面減少了靈活性，但增加的可預(yù)測性意味著更高的可靠性。

特別是在2.5D和3D帶來的復(fù)雜性下，可以消除的變量越多越好。

Malhotra表示，在HBM3被廣泛采用的AI/ML應(yīng)用中，電源管理是最重要的考慮因素?！皩τ跀?shù)據(jù)中心和邊緣設(shè)備來說都是如此。權(quán)衡圍繞著功耗、性能、面積和帶寬。對于邊緣計(jì)算，隨著第四個變量（帶寬）加入到傳統(tǒng)的PPA方程中，復(fù)雜性正在不斷增加。在AI/ML的處理器設(shè)計(jì)或加速器設(shè)計(jì)中，功耗、性能、面積、帶寬的權(quán)衡很大程度上取決于工作負(fù)載的性質(zhì)?！?/p>

如何確保正常工作？

雖然HBM3實(shí)現(xiàn)看起來足夠簡單，但由于這些內(nèi)存通常用于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序，必須確保它們能夠按預(yù)期工作。Rambus的產(chǎn)品營銷工程師Joe Rodriguez表示，應(yīng)該使用多個供應(yīng)商提供的芯片調(diào)試和硬件啟動工具，以確保整個內(nèi)存子系統(tǒng)正常運(yùn)行。

用戶通常利用供應(yīng)商提供的測試平臺和模擬環(huán)境，這樣他們就可以使用控制器開始運(yùn)行模擬，看看系統(tǒng)在HBM 2e/3系統(tǒng)上的表現(xiàn)如何。

Rambus公司的Ferro表示：“在考慮整體系統(tǒng)效率時，HBM實(shí)現(xiàn)一直是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)槊娣e太小。面積小是件好事，但現(xiàn)在系統(tǒng)有了CPU或GPU，可能有4個或更多HBM DRAM。這意味著熱量、功耗、信號完整性、制造可靠性都是物理實(shí)現(xiàn)時必須解決的問題?！?/p>

為了從插入器和封裝設(shè)計(jì)中獲得最優(yōu)性能，即使在HBM2e，許多公司都努力通過插入器獲得良好的信號完整性。更復(fù)雜的是，每個代工廠對于這些插入器都有不同的設(shè)計(jì)規(guī)則，有些規(guī)則比其他的更具挑戰(zhàn)性。

結(jié)論

在可預(yù)見的未來，我們將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)更高內(nèi)存帶寬，即將到來的HBM3有望開啟系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個新階段，將系統(tǒng)性能提升到一個新的水平。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，行業(yè)參與者必須繼續(xù)解決數(shù)據(jù)密集型SoC的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需求，以及最先進(jìn)協(xié)議（如HBM3）的驗(yàn)證解決方案。作為一個整體，這些解決方案應(yīng)該結(jié)合在一起，以允許對協(xié)議和時序檢查進(jìn)行規(guī)范性驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)可以得到充分驗(yàn)證。

原文鏈接：

https://semiengineering.com/hbm3s-impact-on-chip-design/

編輯：jq