來源：電子工程專輯

編輯：感知芯視界

過去近兩年來，受消費電子市場需求疲軟等因素影響，存儲芯片產業游進入庫存過剩、訂單減少、價格暴跌的“寒冬”。三星、美光、SK海力士、鎧俠等存儲芯片大廠紛紛減產、去庫存，但市場行情是否筑底眾說紛紜，整體產業回暖的跡象亦不明顯。

然而，在生成式AI對算力需求的帶動下，2023年初以來高帶寬內存(HBM)在整個存儲芯片產業中可謂“這邊風景獨好”。目前，三星、SK海力士、美光等存儲芯片大廠均在布局與搶占這一細分市場利好。

與此同時，隨著AI對內存速率提出更高的要求，HBM技術創新仍將持續不斷演進。因此，相對整個存儲芯片產業而言，HBM這一細分領域出現了產能和性能雙提升的增長態勢。

HBM增長勢頭強勁

HBM(High Bandwidth Memory)是一款新型的CPU/GPU內存芯片(即“RAM”)，其實就是將很多個DDR芯片堆疊在一起后和GPU封裝在一起，實現大容量、高位寬的DDR組合陣列，可被廣泛應用于高性能計算、人工智能、圖形處理和數據中心等領域。

整體來看，HBM具有超越一般芯片集成的RAM的特殊優勢：一是高速、高帶寬的特性使HBM非常適合用于GPU顯存和HPC高性能計算、AI計算;二是由于采用了TSV和微凸塊技術，HBM具備更好的內存功耗能效特性，相對于GDDR5存儲器，HBM2的單引腳I/O帶寬功耗比數值降低42%，更低的熱負荷降低了冷卻成本;三是在物理空間日益受限的數據中心環境中，HBM緊湊的體系結構也是其獨特的優勢。

今年初以來，ChatGPT突然爆火，帶動了AI大模型的快速增長，使得具備高帶寬和低功耗特性的HBM成為處理大規模數據和復雜計算任務的理想選擇。據悉，2023年開年后，三星、SK海力士兩家存儲大廠HBM訂單快速增加，價格也水漲船高，HBM3規格DRAM價格甚至上漲5倍。

過去數月里，HBM乘AI東風，市場關注度大幅上升。據悉，三星電子、SK海力士等韓國本土存儲半導體企業正在推動HBM專用線的擴張。兩家公司計劃在2024年年底前投資超過2萬億韓元，使HBM生產線目前的產能增加一倍以上。SK海力士計劃利用利川現有HBM生產基地的清州工廠的閑置空間。三星電子正在考慮擴大位于忠清南道天安市的HBM核心生產線。

另一大存儲大廠美光也很早就嗅到AI應用商機，于2019年在中國臺灣成立HBM部門。美光甚至表示，看好2022年至2025年HBM市場年復合成長率超50%。

當前，HBM市場呈現三足鼎立格局。TrendForce研究顯示，2022年三大原廠HBM市占率分別為SK海力士占50%、三星約40%、美光約占10%。

從發展進程來看，2023-2024年將是AI建設爆發期，大量需求集中在AI訓練芯片上，勢必推升HBM使用量。預計2023年，HBM即便在原廠擴大產能的情況下，仍無法完全滿足客戶需求。從各原廠規劃看，預計2024年HBM供給位元量將年增長105%。另據semiconductor-digest預測，到2031年，全球高帶寬存儲器市場預計將從2022年的2.93億美元增長到34.34億美元，在2023-2031年的預測期內復合年增長率為31.3%。

三星獲英偉達HBM訂單

在AI大模型熱潮影響下，科技大廠接連布局AI大模型，掀起了AI大模型競爭之戰，可以預見未來算力需求仍將大幅增長。目前，NVIDIA、AMD、Intel等高端AI芯片大多選擇搭載HBM。而作為加速計算領導者，英偉達更是受益于ChatGPT引發AI大模型需求增長，今年以來股價累計漲幅已超過245%,目前(9月5日)市值已站上1.2萬億美元。

當前，在核心GPU(圖像處理器)加速計算芯片供不應求的情形下，英偉達在加大GPU供應量的同時，也加速推出新一代算力更快的芯片——超級芯片GH200，以持續鞏固AI大模型核心算力芯片供應商地位。

中信證券分析認為，目前英偉達數據中心加速卡銷量仍主要以高端的A100/H100系列卡為主，其中臺積電CoWoS環節產能為主要約束，考慮到封測設備的交貨周期等因素，預計臺積電CoWoS產能實質性改善至少應在2024Q2左右。

當然，除了CoWoS產能不足之外，HBM也是供不應求。目前，SK海力士是HBM3領域的全球領導者，迄今為止也是英偉達唯一為AI加速器提供HBM的供應商。有專家認為，HBM3是需高帶寬的人工智能服務的理想選擇。

然而，SK海力士一家遠遠難以滿足英偉達對HBM的需求。據悉，英偉達計劃到2024年出貨最高200萬顆H100。此前HBM供應商主要是SK海力士，但是產能也有限，如果英偉達不引入其他HBM供應商，那么要達成這一目標將變得相當困難。這勢必迫使英偉達尋找更多的HBM供應商進行合作。

9月5日消息，據韓國媒體報導，三星電子已獲得英偉達(NVIDIA)的高帶寬內存(HBM)訂單。據悉，三星的HBM已通過NVIDIA的第四次測試，也是最后一次品質測試。隨后，兩家公司已同意簽訂供應協議。根據該協議，雙方的供貨最早可能在10月啟動。現在NVIDIA已經擁有SK Hynix和三星作為其HBM供應商，這使得AI GPU的產量能夠提升。

花旗集團分析師也曾在一份報告中寫道，三星電子將從第四季度開始供應HBM3新一代內存，經過優化配合人工智能加速器使用。未來，隨著三星的加入，英偉達將在很大程度上緩解GPU供應不足的壓力。

HBM技術不斷演進

未來數年，HBM的發展“錢景”被存儲大廠廣受看好。而在當前高性能計算應用對內存速率提出更高要求的背景下，HBM技術將繼續進行改進和創新。

從技術發展趨勢看，HBM促使DRAM從傳統2D加速走向立體3D，充分利用空間、縮小面積，契合半導體行業小型化、集成化的發展趨勢。具體來看，增加堆疊層數、提高數據傳輸速度和密度，以及降低功耗和成本等方面的改進，將推動HBM技術的進一步發展。

目前，HBM內部的DRAM堆疊屬于3D封裝，而HBM與AI芯片的其他部分合封于Interposer上屬于2.5D封裝，是典型的Chiplet應用。

過去十年里，高帶寬和高密度的HBM解決方案不斷涌現，使得數據傳輸速度更快、容量更大，同時降低功耗和占用空間。據悉，HBM發展至今第四代性能不斷突破。自2014年首款硅通孔HBM產品問世至今，HBM技術已經發展至第四代，分別是：HBM(第一代)、HBM2(第二代)、HBM2E(第三代)、HBM3(第四代)，HBM芯片容量從1GB升級至24GB，帶寬從128GB/s提升至819GB/s，數據傳輸速率也從1Gbps提高至6.4Gbps。

為了搶占未來HBM市場，目前各大存儲大廠也在不斷提升HBM技術性能。近日，美光中國臺灣地區董事長盧東暉就表示，美光有多達65%的DRAM產品在中國臺灣生產，繼日本廠于2022年10月開始量產1β(1-beta)制程技術后，中國臺灣現在也開始量產1-beta制程。同時，臺日團隊還研發新一代的1-gamma制程，是美光第1代采用極紫外光(EUV)的制程技術，將在2025年上半年先在臺中廠量產。

而三星早在2022年10月召開的Samsung Foundry Forum 2022活動上，就對外公布了DRAM技術路線圖。按照規劃，三星將于2023年進入1bnm工藝階段，芯片容量將達到24Gb(3GB)- 32Gb(4GB)，原生速度將在6.4-7.2Gbp。

今年5月，三星已宣布量產12納米級16Gb DDR5 DRAM，隨后9月宣布采用12納米(nm)級工藝技術，開發出其容量最大的32Gb DDR5 DRAM，全新12納米級32Gb DDR5 DRAM計劃于今年年底開始量產。

盡管各大儲存廠商正不斷加碼HBM，但其技術創新仍需克服兩大主要問題：一是HBM需要較高的工藝，進而大幅度提升了成本;二是大量DRAM堆疊，和GPU封裝在一起，產生大量的熱，如何散熱是極大的挑戰。

整體來看，存儲產業出現了分化的市場行情：一方面在多類消費電子需求疲弱背景下，多家NAND Flash廠商仍在減產，另一方面因AI服務器需求增加，與AI場景高算力需求匹配的HBM需求上升。然而，AI浪潮催化下的DRAM行情雖有好轉跡象，但整個存儲芯片產業似乎仍待實際需求支撐。

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審核編輯 黃宇