近日，三星電子宣布，已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)其當(dāng)前市場(chǎng)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(shí)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(shí)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(yùn)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(luò)裝置結(jié)合使用，在2013年由JEDEC采用成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，而第二代HBM2也于2016年1月由JEDEC采用。
HBM2是使用在SoC設(shè)計(jì)上的下一代內(nèi)存協(xié)定，可達(dá)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(shè)計(jì)需要采用臺(tái)積電的先進(jìn)2.5D封裝技術(shù)CoWoS。CoWoS使用次微米等級(jí)硅晶接口(中介層)，將多個(gè)芯片整合到單一封裝內(nèi)，能夠進(jìn)一步提高效能、降低功耗，達(dá)到更小尺寸。
相對(duì)于傳統(tǒng)的GDDR5顯存來(lái)說(shuō)，HBM無(wú)疑是更加先進(jìn)的，甚至可以說(shuō)是未來(lái)高速存儲(chǔ)的發(fā)展風(fēng)向標(biāo)！原因也很簡(jiǎn)單GDDR5經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展已然來(lái)到了一個(gè)瓶頸的位置，光靠頻率提升來(lái)提供更大的顯存位寬已經(jīng)沒(méi)有太大的空間，而這勢(shì)必會(huì)反過(guò)來(lái)影響到GPU的性能發(fā)揮。
這張圖除了規(guī)格對(duì)比之外，還能很清楚的看到HBM的實(shí)際結(jié)構(gòu)，尤其是四層DRAM疊在最底的底層die之上，雖然AMD一直也沒(méi)有給出HBM本體的具體制作過(guò)程（絕對(duì)的商業(yè)機(jī)密），但是不難想象4層絕不是HBM未來(lái)發(fā)展的極限，而隨著層數(shù)的增加位寬勢(shì)必還會(huì)迎來(lái)進(jìn)一步的增加。
相反的，HBM通過(guò)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)大于GDDR5的顯存帶寬！而且這一個(gè)優(yōu)勢(shì)還會(huì)隨著HBM顯存后期頻率方面的進(jìn)一步提升而進(jìn)一步加大。
除了性能潛力之外，實(shí)際工作頻率還關(guān)系到另外一個(gè)非常重要的問(wèn)題——較高頻率帶來(lái)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(jìn)一步增加還會(huì)有所增加，那時(shí)低頻率的優(yōu)勢(shì)還會(huì)進(jìn)一步加大！
如果硬要說(shuō)HBM顯存技術(shù)中最重要的是什么，那絕對(duì)要算最基礎(chǔ)的堆疊設(shè)計(jì)了，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是將傳統(tǒng)的2D電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw的3D電路設(shè)計(jì)，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(jìn)了SOC以及小型化的發(fā)展，可以說(shuō)這絕對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
三星的優(yōu)勢(shì)是什么？
但是眾所周知，三星并不是第一個(gè)宣布推出HBM的廠商。
從AMD Fiji核心首次使用HBM顯存已來(lái)，HBM已經(jīng)成為下一代高端顯卡的顯存標(biāo)準(zhǔn)，HBM 2也正式被列為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。
在推動(dòng)HBM發(fā)展這一點(diǎn)上，除了勞苦功高的AMD之外，SK Hynix也功不可沒(méi)，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(huì)使用三星的4GB HBM2顯存。
為什么能夠后來(lái)居上，三星有什么優(yōu)勢(shì)呢？
據(jù)三星官方介紹，新推出的Aquabolt提供了最高級(jí)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(gè)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(guò)改進(jìn)，單個(gè)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(gè)新HBM2封裝將實(shí)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(dá)50%。
據(jù)悉，在Aquabolt中三星采用了與TSV設(shè)計(jì)和熱控制有關(guān)的新技術(shù)。一個(gè)8GB HBM2封裝由8個(gè)8Gb HBM2芯片組成，每個(gè)芯片使用5000多個(gè)硅穿孔進(jìn)行垂直互連。雖然使用如此多的TSV可能會(huì)導(dǎo)致并行時(shí)鐘偏移，但三星成功地將偏移降至最低，顯著增強(qiáng)了芯片性能。
此外，三星還增加了HBM2芯片之間的熱凸點(diǎn)數(shù)量，這使得每個(gè)封裝的熱控制能力更強(qiáng)。而且，新的HBM2在底部還有一個(gè)附加的保護(hù)層，增加了封裝的整體物理強(qiáng)度。
不過(guò)三星指出，因?yàn)镠BM需要整合到具備硅中介層(silicon interposers)的ASIC中，這種設(shè)計(jì)需要具備專(zhuān)長(zhǎng)技術(shù)。
HBM2的未來(lái)
從目前的發(fā)展情況來(lái)看，HBM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二代，除了AMD之外，英偉達(dá)和英特爾都已經(jīng)推出了相關(guān)的產(chǎn)品與應(yīng)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(chǎng)可編程陣列)芯片“Strtix 10 MX”，可提供高達(dá)512GB/s的帶寬，相比于獨(dú)立DDR2顯存提升了足足10倍。
同時(shí)，三星也表示，其8GB容量的HBM2是專(zhuān)為下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)、人工智能(AI)與繪圖系統(tǒng)所設(shè)計(jì)，號(hào)稱(chēng)能提供最高等級(jí)的DRAM性能水平。
現(xiàn)在也可以看到HBM被應(yīng)用在某些超級(jí)計(jì)算機(jī)，未來(lái)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)也有機(jī)會(huì)進(jìn)駐標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，但是現(xiàn)在很難說(shuō)什么應(yīng)用能讓HBM達(dá)到足以讓成本下降的高需求量。
但是，這種技術(shù)需要克服的挑戰(zhàn)在于，當(dāng)生產(chǎn)量增加、價(jià)格就會(huì)降低，但因?yàn)橐婚_(kāi)始的高價(jià)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(yīng)用到人工智能，高性能計(jì)算等新興領(lǐng)域的最大難點(diǎn)！