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三星加快HBM2布局,卡位人工智能

2018-01-24
關鍵詞: 三星 HBM2 人工智能

  近日,三星電子宣布,已經開始量產其當前市場上數據傳輸速度最快的第二代8GB高帶寬顯存-2(HBM2)——Aquabolt,這也是業(yè)內首款可提供每引腳2.4Gbps數據傳輸速度的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?

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  HBM到底是什么?

  高帶寬內存(HBM)是運用在3D堆棧DRAM的高效能內存界面,通常與高效能圖形加速器或網絡裝置結合使用,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,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。

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  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)。

  經過改進,單個三星8GB HBM2封裝將提供每秒307GBps的數據帶寬,比提供32GBps數據帶寬的8Gb GDDR5芯片的數據傳輸速度快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。

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  HBM2的未來

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

  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,當生產量增加、價格就會降低,但因為一開始的高價格很難讓生產量變大,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!


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