HBM2的簡介以及未來發(fā)展 三星押寶HBM2的優(yōu)點解析

近日，三星電子宣布，已經(jīng)開始量產(chǎn)其當前市場上數(shù)據(jù)傳輸速度最快的第二代8GB高帶寬顯存-2（HBM2）——Aquabolt，這也是業(yè)內(nèi)首款可提供每引腳2.4Gbps數(shù)據(jù)傳輸速度的HBM2。

事實上，HBM2這兩年的發(fā)展不可為不迅猛。去年，AMD就宣布其旗下的Vega顯卡使用HBM 2顯存，并最終憑借這幾款產(chǎn)品實現(xiàn)了大翻身。

那么三星押寶，AMD力推的HBM2顯存到底是什么呢？

HBM到底是什么？

高帶寬內(nèi)存(HBM)是運用在3D堆棧DRAM的高效能內(nèi)存界面，通常與高效能圖形加速器或網(wǎng)絡裝置結合使用，在2013年由JEDEC采用成為業(yè)界標準，而第二代HBM2也于2016年1月由JEDEC采用。

HBM2是使用在SoC設計上的下一代內(nèi)存協(xié)定，可達到2Gb/s單一針腳帶寬、最高1024支針腳(PIN)，總帶寬256GB/s (Giga Byte per second)。1024針腳的HBM2 PHY使用硅穿孔(through-silicon via)與8-Hi (8層)DDR芯片堆棧(chip stack)做鏈接，這樣的設計需要采用臺積電的先進2.5D封裝技術CoWoS。CoWoS使用次微米等級硅晶接口(中介層)，將多個芯片整合到單一封裝內(nèi)，能夠進一步提高效能、降低功耗，達到更小尺寸。

相對于傳統(tǒng)的GDDR5顯存來說，HBM無疑是更加先進的，甚至可以說是未來高速存儲的發(fā)展風向標！原因也很簡單GDDR5經(jīng)過這么多年的發(fā)展已然來到了一個瓶頸的位置，光靠頻率提升來提供更大的顯存位寬已經(jīng)沒有太大的空間，而這勢必會反過來影響到GPU的性能發(fā)揮。

這張圖除了規(guī)格對比之外，還能很清楚的看到HBM的實際結構，尤其是四層DRAM疊在最底的底層die之上，雖然AMD一直也沒有給出HBM本體的具體制作過程（絕對的商業(yè)機密），但是不難想象4層絕不是HBM未來發(fā)展的極限，而隨著層數(shù)的增加位寬勢必還會迎來進一步的增加。

相反的，HBM通過打造高位寬低頻率的顯存，使得在提供比較大的顯存位寬的基礎上不需要那么高的頻率，同樣的4GB容量下HBM能提供的顯存位寬為4096bit，比GDDR5的512bit高出8倍，這也是為什么HBM即便只有1GHz的等效頻率也能最終實現(xiàn)大于GDDR5的顯存帶寬！而且這一個優(yōu)勢還會隨著HBM顯存后期頻率方面的進一步提升而進一步加大。

除了性能潛力之外，實際工作頻率還關系到另外一個非常重要的問題——較高頻率帶來的更大幅度的功耗提升，這也是GDDR5目前的最大瓶頸。而低工作頻率使得HBM的每瓦下了率足足高出3倍，相信在HBM顯存的位寬隨著疊層數(shù)量的進一步增加還會有所增加，那時低頻率的優(yōu)勢還會進一步加大！

如果硬要說HBM顯存技術中最重要的是什么，那絕對要算最基礎的堆疊設計了，簡單點說就是將傳統(tǒng)的2D電路設計轉變?yōu)榱Ⅲw的3D電路設計，充分利用所有的內(nèi)部空間之余還能大幅減小基板的面積，從而也推進了SOC以及小型化的發(fā)展，可以說這絕對半導體行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

三星的優(yōu)勢是什么？

但是眾所周知，三星并不是第一個宣布推出HBM的廠商。

從AMD Fiji核心首次使用HBM顯存已來，HBM已經(jīng)成為下一代高端顯卡的顯存標準，HBM 2也正式被列為JEDEC標準。

在推動HBM發(fā)展這一點上，除了勞苦功高的AMD之外，SK Hynix也功不可沒，但是悲劇的是SK Hynix在HBM 2顯存上被三星截胡，AMD Polaris、NVIDIA Pascal高端顯卡都會使用三星的4GB HBM2顯存。

為什么能夠后來居上，三星有什么優(yōu)勢呢？

據(jù)三星官方介紹，新推出的Aquabolt提供了最高級別的DRAM性能，具有1.2V的2.4Gbps引腳速度，相比于第一代8GB HBM2封裝，每個封裝的性能提升近50%。第一代8GB HBM2引腳速度分別為1.6Gbps（1.2V）和2.0Gbps（1.35V）。

經(jīng)過改進，單個三星8GB HBM2封裝將提供每秒307GBps的數(shù)據(jù)帶寬，比提供32GBps數(shù)據(jù)帶寬的8Gb GDDR5芯片的數(shù)據(jù)傳輸速度快9.6倍。系統(tǒng)中的四個新HBM2封裝將實現(xiàn)每秒1.2TBps的帶寬，與使用1.6Gbps HBM2的系統(tǒng)相比，這將使總體系統(tǒng)性能提高多達50%。

據(jù)悉，在Aquabolt中三星采用了與TSV設計和熱控制有關的新技術。一個8GB HBM2封裝由8個8Gb HBM2芯片組成，每個芯片使用5000多個硅穿孔進行垂直互連。雖然使用如此多的TSV可能會導致并行時鐘偏移，但三星成功地將偏移降至最低，顯著增強了芯片性能。

此外，三星還增加了HBM2芯片之間的熱凸點數(shù)量，這使得每個封裝的熱控制能力更強。而且，新的HBM2在底部還有一個附加的保護層，增加了封裝的整體物理強度。

不過三星指出，因為HBM需要整合到具備硅中介層(silicon interposers)的ASIC中，這種設計需要具備專長技術。

HBM2的未來

從目前的發(fā)展情況來看，HBM技術已經(jīng)發(fā)展到了第二代，除了AMD之外，英偉達和英特爾都已經(jīng)推出了相關的產(chǎn)品與應用。

去年年底，Intel就發(fā)布了全球首款集成HBM2顯存的FPGA(現(xiàn)場可編程陣列)芯片“Strtix 10 MX”，可提供高達512GB/s的帶寬，相比于獨立DDR2顯存提升了足足10倍。

同時，三星也表示，其8GB容量的HBM2是專為下一代超級計算機、人工智能(AI)與繪圖系統(tǒng)所設計，號稱能提供最高等級的DRAM性能水平。

現(xiàn)在也可以看到HBM被應用在某些超級計算機，未來在某個時間點也有機會進駐標準服務器，但是現(xiàn)在很難說什么應用能讓HBM達到足以讓成本下降的高需求量。

但是，這種技術需要克服的挑戰(zhàn)在于，當生產(chǎn)量增加、價格就會降低，但因為一開始的高價格很難讓生產(chǎn)量變大，這也是為什么HBM2仍主要只出現(xiàn)在高端顯卡上的原因。

也是今后HBM2想要應用到人工智能，高性能計算等新興領域的最大難點！