半导体行业观察 昨天
HBM,生变!
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HBM 的竞争,正在悄悄换战场。过去几年,市场谈论 HBM,关注的几乎都是 SK 海力士、三星和美光:谁的 DRAM 制程更先进,谁能堆到 12 层、16 层,谁的 TSV 和封装良率更高,以及谁最终进入英伟达的供应链。

但到了 HBM4 和 HBM4E,这门生意里正在出现一批过去并不显眼的新角色——晶圆代工厂。

近日,据韩媒及 DIGITIMES 等报道,SK 海力士正在考虑将 Intel Foundry 引入 HBM4E 供应链,作为 HBM Base Die 的第二代工来源,以降低对台积电的依赖并改善供应弹性。无论 Intel 最终能否拿下订单,背后透露出的产业变化已经非常清晰:从 HBM4 开始,一颗 HBM 已经越来越离不开先进逻辑制程。

真正改变游戏规则的,是 HBM 最下面那颗过去不太受关注的芯片——Base Die。

HBM 越来越不像内存了

要理解为什么 HBM 会变成晶圆代工生意,必须先看 HBM4 这个关键的技术分水岭。

在 HBM3E 及更早的技术代际中,HBM 的结构相对清晰:上层是多层 DRAM 堆叠(Core Die),最底下是一颗 Base Die。过去,这颗 Base Die 主要承担物理支撑、TSV(硅通孔)过孔引出以及基础的信号路由。由于功能单一,像存储三巨头(SK 海力士、三星、美光)用自家的 10nm 级 DRAM 工艺就能顺手把它做了。

但 HBM4 发生了一些重要变化。

一方面,接口密度物理翻倍。HBM4 的总线接口宽度从 1024-bit 直接翻倍至 2048-bit,在此基础上,英伟达在 Rubin 平台上更将单 Pin 速率拉高至 11Gbps 以上。要在极其微小的芯片面积内挤入翻倍的 TSV 和 PHY(物理层)电路,传统 DRAM 节点的布线密度和金属层数已触及物理极限。

另一方面,逻辑功能深度下沉。为了追求极致的能效与超低延迟,GPU 与 ASIC 厂商开始要求将存储控制器、DFT(可测试性设计)电路,甚至是特定算法的计算模块直接集成到 Base Die 中。

SK 海力士在官网中也写道,「在 HBM4 中,逻辑芯片的作用日益凸显。HBM4 的研发方向是提升基础芯片的性能,增强 HBM 堆叠与逻辑芯片之间的连接性,同时降低功耗。」

Base Die 已经开始从一颗相对简单的芯片,变成一颗复杂的 Logic Base Die。这就撞上了存储原厂的工艺壁垒:存储原厂的 Fab 基本不具备生产高性能逻辑芯片的 12nm、5nm 乃至更先进工艺线,两者并不是同一种制造逻辑。因为 DRAM 制造追求的是存储单元密度和成本,而复杂逻辑电路需要的是逻辑晶体管性能、布线密度以及先进 EDA 设计能力。

当越来越多逻辑被放进这颗 " 内存 " 时,一门过去属于存储厂商的生意,也正在悄悄变成一门晶圆代工生意。于是,晶圆代工厂开始登场。

2024 年,SK 海力士与台积电宣布合作开发 HBM4。当时双方给出的表述其实已经非常耐人寻味——要建立一种由 IC 设计公司、晶圆代工厂和存储厂商组成的三方合作模式。双方合作的第一个目标,就是 Base Die。

在 HBM3E 以前,SK 海力士的 Base Die 基本自己生产;从 HBM4 开始,则引入台积电先进逻辑工艺。这实际上改变了 HBM 延续多年的产业分工。以前一颗 HBM 的主要构成是 DRAM 制造 + TSV + 堆叠封装。而现在越来越接近:DRAM Core Die + Logic Base Die + Foundry + TSV + Advanced Packaging。

HBM 由一颗 " 特殊的存储器 ",越来越像一个小型的 Chiplet 系统。

定制化 HBM 的时代加速到来

随着 Base Die 的逻辑化,HBM 正在从过去的标准件迈向定制化。

在今年的台积电技术论坛上,SK 海力士透露:未来将通过采用台积电先进逻辑工艺的 Base Die,把 HBM 从标准化产品进一步推向 Custom HBM,并加强 Memory 与 Logic 的融合。同时在硅谷,SK 海力士已被爆出正在组建专门的 HBM 架构设计团队,其招聘岗位要求不仅覆盖传统 DRAM,还强制要求具备数字设计、PDN(电源分配网络)以及 3nm 以下 Foundry 先进工艺经验。

这已经越来越不像一家传统存储公司的工作方式,反而越来越像一家 ASIC 公司。

在 SK 海力士的 HBM4 之后的产品路线图中,HBM4E 和定制 HBM 被列为关键发展方向。SK 海力士的 iHBM 解决方案是一种面向下一代 HBM 产品的散热管理技术,旨在提升其在高密度、高带宽环境下的运行稳定性和效率。

(图源:SK 海力士)

驱动这一变革的核心力量,来自于下游 AI 芯片巨头对 " 打破存储墙 " 的渴望。

所谓 Custom HBM,本质上已经开始从 " 定制内存 ",走向 Memory-Compute Co-design。这也改变了 HBM 产业最重要的一层关系。过去存储厂商主要做标准产品。三星、SK 海力士、美光按照 JEDEC 标准开发 DDR、LPDDR 或者 HBM,然后卖给客户。

但 AI 芯片完全不同。英伟达、AMD、Google、Amazon、Microsoft 以及越来越多自研 ASIC 的云厂商,对 Memory Bandwidth、功耗、接口和封装面积的要求都不一样。标准化 HBM 开始越来越难满足所有客户。因此 HBM 正在向 ASIC 非常熟悉的一套商业模式靠近:共同定义规格——共同设计—— Foundry 流片——先进封装——客户验证。

真正将这一趋势推向高潮的,是英伟达。8 月 26 日,英伟达公布了一项名为 NVHBM 的新技术。在传统 AI 硬件架构中,内存控制器通常占据着 GPU 或 XPU 计算核心内部极其宝贵的先进制程面积。而在 NVHBM 中,英伟达直接做了一次大胆的 " 乾坤大挪移 ":将内存控制器从 GPU 内部拔出,直接塞进 HBM 的 Base Die 中。

据英伟达公布的数据,相比标准 HBM4E,NVHBM 最高可带来 30% 的内存带宽提升 和 15% 的功耗下降,同时能直接释放最多 25% 的 XPU 计算核心面积。Amazon 旗下的 Annapurna Labs 已成为首批参与该架构研发的芯片设计团队。

NVHBM 与标准 HBM 相比,芯片面积节省的比较

(图源:英伟达)

这远远超过一次普通的 HBM 规格升级。因为 HBM 和 GPU 之间原本相对清晰的边界,正在变得模糊。过去是 GPU 负责计算,HBM 负责存储。未来可能变成:GPU + Logic Base Die + DRAM 共同组成计算系统。Memory Controller 只是第一步。理论上,未来还可能有更多与数据移动、地址映射、缓存管理甚至特定计算相关的逻辑被迁移到 Base Die。

三大 HBM 厂商,三种代工选择

目前三星、SK 海力士和美光实际上已经走出了三种不同的路线。

SK 海力士选择的是最典型的专业化分工。自己负责 DRAM Core Die 和 HBM 技术,再把先进 Logic Base Die 交给台积电等 Foundry 生产。据 TrendForce 援引韩媒近期报道,SK 海力士量产 HBM4 采用的 Base Die 来自台积电 12nm 级制程;而未来 HBM4E 随着逻辑复杂度进一步提高,业界甚至已经讨论向更先进节点迁移。

与此同时,由于先进逻辑 Base Die 的成本快速提高,SK 海力士也被曝正在考虑 Intel Foundry 作为潜在第二来源。

三星则恰恰相反。三星同时拥有 Memory 和 Foundry,因此从一开始就选择了更彻底的垂直整合路线。三星今年量产的 HBM4 使用 1c DRAM Core Die,同时 Base Die 直接采用自家 Foundry 的 4nm 逻辑工艺。HBM4E 也延续了 1c DRAM + 4nm Logic Base Die 组合。三星甚至已经规划,在后续 HBM 产品中将 Base Die 推进至 2nm 工艺。

过去三星同时经营 Memory 和 Foundry 经常被认为体系庞杂,但在 Custom HBM 时代,这种模式反而可能产生新的协同优势。因为一颗 HBM 所需要的 DRAM、Logic、先进封装,三星理论上全部可以内部完成。

第三条路线来自美光,它也在从自主开发走向代工拥抱。美光早期 HBM4 仍强调内部开发和制造 CMOS Logic Base Die,但到了 HBM4E,其策略已经明显改变。美光在投资者材料中明确表示,HBM4E 无论标准版还是定制版 Logic Base Die,都将与台积电合作生产,而且公司预计,采用 Customized Base Logic Die 的 HBM4E 毛利率将高于标准产品。

这一点很关键。因为它说明 HBM 厂商自己也开始承认:未来 HBM 最大的附加价值之一,可能不再只是 DRAM,而是 Base Die 里的定制逻辑。

对于晶圆代工厂而言,HBM 的变革意味着巨大的新增量。

在过去 AI 服务器产业链中,代工厂(以台积电为代表)牢牢占据着两个价值最高的金矿:GPU/ASIC 逻辑芯片代工 + CoWoS 先进封装。而现在,第三个金矿正在形成—— HBM 逻辑 Base Die。

当然,与 GPU 相比,HBM Base Die 的晶圆需求规模仍然不是一个量级。但它的重要性在于:每增加一颗 HBM,就增加了一颗 Logic Die。高端 AI 加速器通常单颗挂载 6 至 8 颗 HBM,叠加 HBM4/4E 时代 Base Die 向 12nm、5nm 甚至更先进节点迁移,晶圆代工厂在整个 AI 内存系统中的价值占比将被呈指数级放大。

随着 HBM 从 HBM4 进入 HBM4E、Custom HBM,Base Die 制程越来越先进、面积越来越大、逻辑越来越复杂,单颗 HBM 中属于 Foundry 的价值量也会随之增加。

这也是 Intel 为什么可能有机会重新进入这场竞争。Intel Foundry 如果直接争夺英伟达、AMD 等顶级 GPU 的主 Compute Die 订单,难度极高。但 HBM Base Die 可能是一个完全不同的切入口。它需要先进逻辑制造能力,却不像 GPU 那样承担整个系统计算核心的风险;与此同时,SK 海力士等存储厂商又有降低供应集中度和成本的动力。

对于 Intel 而言,这可能是一块比直接挑战台积电先进 GPU 代工更现实的增量市场。

写在最后

过去几十年,存储产业最典型的商业模式是标准化。产品越标准,规模越大,成本越低。无论 DRAM 还是 NAND,厂商竞争的大部分时间都围绕制程、容量、良率和成本展开。然而,AI 正在打破这一逻辑。HBM4 把 Logic Base Die 带入先进制程,HBM4E 继续提高 Base Die 复杂度,而 NVHBM 又进一步把 Memory Controller 直接塞进 HBM。沿着这条路线继续向前,HBM 很可能越来越难被简单定义为 " 内存 "。它会逐渐变成一种:由 DRAM、Logic、连接和先进封装构成的 Memory System。

于是 HBM 产业的竞争也正在发生改变。过去是 SK 海力士 vs 三星 vs 美光,未来更可能变成:存储厂商 + 代工厂 + AI 芯片厂商 + 先进封装之间的组合竞争。看似只是 SK 海力士考虑给 Intel Foundry 一笔 Base Die 订单,背后的意义其实远比一张代工订单更大。它意味着晶圆代工厂的边界,又向 AI 系统内部推进了一步。

继 CPU、GPU、ASIC 之后,下一块进入先进逻辑 Foundry 体系的芯片,可能正是过去一直被视为存储器一部分的 HBM Base Die。HBM 还是内存,只是从 HBM4 开始,它已经越来越像一颗芯片系统。

HBM 的下半场,战争的爆发点不在 DRAM 本身,而在那颗沉在最底部的 Base Die。

* 免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。

END

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