人工智能的蓬勃發(fā)展促使產(chǎn)業(yè)對(duì)AI基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的性能要求，先進(jìn)計(jì)算處理單元，尤其是ASIC或GPU，為了在機(jī)器學(xué)習(xí)、HPC提供穩(wěn)定的算力表現(xiàn)，傳統(tǒng)的內(nèi)存系統(tǒng)已經(jīng)不太能滿足日益增加的帶寬了。與此同時(shí)，在我們報(bào)道的不少AI芯片、HPC系統(tǒng)中，HBM或類似的高帶寬內(nèi)存越來(lái)越普遍，為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供了支持。

提及HBM，不少人都會(huì)想到成本高、良率低等缺陷，然而這并沒有影響業(yè)內(nèi)對(duì)HBM的青睞，諸如AMD的RadeonPro5600M、英偉達(dá)的A100等消費(fèi)級(jí)/企業(yè)級(jí)GPU，或是思科的路由ASIC芯片SiliconOneQ100、英特爾與AMD-Xilinx的FPGA，都用到了HBM內(nèi)存。就在今年1月底，JEDEC終于正式發(fā)布了HBM的第四代HBM3的標(biāo)準(zhǔn)。

HBM3性能未來(lái)可期

HBM2/2E與HBM3的架構(gòu)對(duì)比 / SK海力士

HBM3帶來(lái)的性能提升大家應(yīng)該都比較清楚了，傳輸速率是HBM2的兩倍，達(dá)到了6.4Gb/s，使得每個(gè)堆棧最高可達(dá)819GB/s的帶寬?？捎玫莫?dú)立通道也從HBM2的8個(gè)擴(kuò)充至16個(gè)，加上每個(gè)通道兩個(gè)偽通道的設(shè)計(jì)，HBM3可以說(shuō)支持到32通道了，提供更優(yōu)秀的時(shí)序來(lái)提升系統(tǒng)性能。

HBM3 8Hi和12Hi的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)比/ SK海力士

HBM3的TSV堆疊層數(shù)支持4-high、8-high和12-high，這倒是和HBM2e沒有什么差別。從SK海力士提供的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖來(lái)看，無(wú)論是8Hi還是12Hi，其封裝大小和高度都是一樣的，只不過(guò)是減小了中間堆疊的裸片高度。這僅僅是第一代HBM3，未來(lái)HBM3會(huì)擴(kuò)展至16-high的TSV堆棧，單設(shè)備的內(nèi)存密度范圍也將達(dá)到4GB至64GB，不過(guò)第一代HBM3設(shè)備的話，目前用到的依然是16GB的內(nèi)存層。

此外，在散熱上，通過(guò)增加dummybump、增加HBM3裸片大小并降低間隙高度，HBM3成功將溫度降低了25%，實(shí)現(xiàn)了更好的散熱性能。在7位ADC的支持下，HBM3的溫度傳感器也能以1℃的分辨率輸出0到127℃的溫度信息。

首個(gè)用上HBM3的平臺(tái)

以在GTC22上亮相的H100 GPU為例，這是全球首個(gè)支持PCIe5.0并利用HBM3的GPU，其內(nèi)存容量達(dá)到了80GB。這個(gè)容量與上一代A100一致，但帶寬卻有了質(zhì)的飛躍，與采用HBM2的A100相比，H100的內(nèi)存帶寬提升了兩倍，達(dá)到了3TB/s。

英偉達(dá)各個(gè)系列GPU加速卡的內(nèi)存帶寬 / 英偉達(dá)

你可能會(huì)感到疑惑，既然HBM3可以提供每個(gè)堆棧16GB以上的內(nèi)存，從H100的芯片圖上看來(lái)有6個(gè)HBM3，為何只有80GB呢？是不是英偉達(dá)為了成本有所閹割？

H100 GPU / 英偉達(dá)

其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，6個(gè)HBM3的其中一個(gè)為DummyDie，所以真正可用的HBM3內(nèi)存只有5x16也就是80GB，所以英偉達(dá)在H100的白皮書也明確提到了這80GB是由5Stacks的HBM3內(nèi)存組成。如此做的原因很可能是出于良率的考量，畢竟我們已經(jīng)提到了HBM良率低的包袱，而且上一代80GB HBM2e的A100也是如此設(shè)計(jì)的。

HBM找到了新的市場(chǎng)

根據(jù)SK海力士給出的市場(chǎng)預(yù)期，HBM市場(chǎng)正在以40%的年復(fù)合增長(zhǎng)率席卷HPC、AI和CPU等應(yīng)用，如今這其中還多出來(lái)一個(gè)特殊的應(yīng)用，那就是ADAS和自動(dòng)駕駛。如今的自動(dòng)駕駛芯片上幾乎看不到HBM的存在，即便是英偉達(dá)的JetsonAGX Orin，用的也只是256位的LPDDR5內(nèi)存，帶寬最高只有204.8GB/s。

HBM3內(nèi)存 / SK海力士

這種情況再正常不過(guò)了，誰(shuí)叫如今的ADAS或自動(dòng)駕駛方案還用不到HBM的大帶寬?；ㄥX去設(shè)計(jì)HBM，還不如在芯片的計(jì)算性能上多下功夫。然而到了L4或L5的自動(dòng)駕駛中，又是另外一幅光景了。低延遲和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理對(duì)于激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器來(lái)說(shuō)，可謂至關(guān)重要，這兩大自動(dòng)駕駛等級(jí)下的帶寬至少也要1TB/s。

據(jù)研究機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到了2030年，L4以上的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將占據(jù)20%的市場(chǎng)，到了2035年，這一比例將上升至45%。為了不在突破L3時(shí)遇到帶寬的瓶頸，引入HBM可以說(shuō)是越早越好，甚至從L3就可以開始考慮了，畢竟現(xiàn)在不少自動(dòng)駕駛芯片已經(jīng)標(biāo)榜著L3乃至L4以上的能力。

比如L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛，帶寬要求在600GB/s到1TB/s之間，單車可以使用兩個(gè)HBM2e或者一個(gè)HBM3；而L4到L5級(jí)別的自動(dòng)駕駛，帶寬要求在1TB/s到1.5TB之間，單車可用3個(gè)HBM2e或兩個(gè)HBM3。

結(jié)語(yǔ)

雖然HBM3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，芯片設(shè)計(jì)公司（英偉達(dá)、AMD、英特爾）、IP公司（新思、Cadence、Rambus）、晶圓代工廠的封裝技術(shù)（臺(tái)積電Cowos-S、三星H-Cube、英特爾EMIB）以及存儲(chǔ)廠商（三星、SK海力士）都開始了相關(guān)的部署，但HBM3的普及仍然需要時(shí)間。

預(yù)計(jì)2023年到2024年，我們可以見到第一代HBM3內(nèi)存在HPC上的普及，2025年到2026年第二代才會(huì)開始放量，屆時(shí)我們也能看到下一代HBM4的性能前瞻。至于HBM上自動(dòng)駕駛芯片倒是不必急求，汽車產(chǎn)品的上市周期一向很長(zhǎng)，從HBM3的推進(jìn)速度來(lái)看，估計(jì)L4和L5才能充分利用HBM3乃至HBM4的全部?jī)?yōu)勢(shì)。