香农伙伴｜续写HBM历史新章：SK海力士HBM开发背后的故事

香农芯创 2022-09-09 17:35

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SK海力士在业界率先开发出最新高带宽存储器（HBM, High Bandwidth Memory）产品HBM3¹，公司不仅又一次创造历史，更进一步巩固了SK海力士在DRAM市场上的领先地位。

SK海力士于2021年10月成功开发出HBM3，并于2022年6月开始量产。SK海力士还将向英伟达系统供应HBM3，而该系统预计将于2022年第三季度开始出货²。

SK海力士是如何成功保持市场领导地位，又是从前几代HBM产品开发中汲取了哪些经验教训？

HBM1

第一代产品，占据先行优势

HBM作为一种存储器解决方案，旨在优化提升高级计算性能（HCP, High-level Computing Performance），由于HBM可以同时增加容量和带宽，因而为解决存储器瓶颈提供了一种新的范例。2014年，SK海力士与AMD联合开发了全球首款硅通孔（TSV, Through Silicon Via）HBM产品。两家公司还联合开发了高带宽三维堆叠存储器技术和相关产品³。

HBM1的工作频率(Operating frequency)约为1600 Mbps，漏极电源电压（VDD, drain power voltage）为1.2V，芯片密度为2Gb（4-hi）⁴。HBM1的带宽高于DDR4和GDDR5产品⁵，同时以较小的外形尺寸消耗较低的功率，更能满足图形处理单元（GPU, Graphic Processing Units）等带宽(bandwidth)需求较高的处理器。

HBM2

第二代产品，新增多项增强型功能

第二代HBM产品HBM2于2018年发布，其中一项关键的改进是伪通道模式(Pseudo Channel mode)。该模式将一个通道(channel)分为两个单独的64位(bit) I/O子通道，从而为每个存储器的读写访问提供128位预取。伪通道模式可优化内存访问并降低延迟，从而提高有效带宽。

HBM2的其他改进包括用于通道的硬修复和软修复的通道重新映射模式以及防过热保护等。得益于这些新技术以及更高的有效带宽，HBM2在数据速率(data-rate)方面较HBM1具有更高的能效。

HBM2E

第三代产品，彻底颠覆既有格局

SK海力士还是首家开始批量生产HBM2E⁶的存储器供应商，HBM2E是HBM2的扩展版本。HBM2E开发团队在规划阶段就立志升级产品规格⁷，这也是SK海力士维持市场领先地位的关键。HBM2E于2020年发布，间隔HBM2的发布两年的时间。与HBM2相比，HBM2E具有技术更先进、应用范围更广泛、速度更快、容量更大等特点。

通过硅通孔技术垂直堆叠8个16Gb芯片，HBM2E的容量为16Gb，是HBM2的两倍⁸。最初发布时，HBM2E共包含1024个数据I/O（输入/输出），处理速度达3.6Gbps，每秒可处理460GB的数据，是当时业界最快的存储器解决方案⁹。此外，HBM2E的散热性能也比HBM2高出36%。

HBM3

第四代产品，持续保持领先地位

SK海力士在2021年10月开发出全球首款HBM3¹⁰，持续巩固其市场领先地位。HBM3的容量是HBM2E的1.5倍，由12个DRAM芯片堆叠成，总封装高度相同，适用于AI、HPC等容量密集型应用。

与前几代产品相比，HBM3的一个重要新增功能当属定制设计的ECC校验（On Die-Error Correcting Code）功能¹¹，可使用预分配的奇偶校验位来检测和纠正接收数据中的错误。ECC功能还可以支持DRAM自我纠正单元内的数据错误，从而提高设备的可靠性。

HBM3采用16通道架构，运行速度为6.4Gbps¹²，是HBM2E的两倍，是目前世界上最快的高带宽存储器。鉴于此，HBM3和其他HBM产品成为数字生活中不可或缺的组成部分，举例来说，HBM产品已成为自动驾驶汽车实现高度自动驾驶（4级）和完全自动驾驶（5级）的先决条件。

SK海力士的HBM产品开发工作也是公司环境、社会和公司治理（ESG, Environmental, Social and Governance）努力的一个重要组成部分，每一代产品的功耗都低于上一代产品。例如，在相同的工作电压水平下，HBM3的运行温度低于HBM2E，在增强服务器系统环境稳定性的同时，提高了散热能力。

在庆祝HBM3取得的成就之后，开发团队继往开来，与客户积极合作，认真听取产品相关反馈意见。目前，HBM4的相关预测数据已经出炉，预计新一代产品将能够更广泛地应用于高性能数据中心、超级计算机和人工智能等领域。

HBM市场始终保持稳步增长态势，随着5G时代的到来，数据传输量快速增长。市场调研机构Omdia在2021年的一份报告中预测，到2025年，HBM市场的总收入将达到25亿美元¹³。SK海力士将继续开发新一代HBM产品，既要坐稳“先行者”的位置，又要保持“解决方案提供商(Solution Provider)”的称号，持续巩固自身的市场领导地位。

相关链接

1. https://news.skhynix.com.cn/sk-hynix-announces-development-of-hbm3-dram/

2. https://news.skhynix.com.cn/sk-hynix-to-supply-industrys-first-hbm3-dram-to-nvidia/

3. http://www.koreaherald.com/view.php?ud=20131219000838\

4. https://news.skhynix.com.cn/diversification-of-dram-application-and-memory-hierarchy/

5. https://web.archive.org/web/20150424141343/http:/www.setphaserstostun.org/hc26/HC26-11-day1-epub/HC26.11-3-Technology-epub/HC26.11.310-HBM-Bandwidth-Kim-Hynix-Hot%20Chips%20HBM%202014%20v7.pdf

6. https://product.skhynix.com/products/dram/hbm/hbm2e.go

7. https://news.skhynix.com.cn/behind-the-scenes-story-ofhbm2e-the-fastest-dram-in-history/

8. https://news.skhynix.com.cn/sk-hynix-starts-mass-production-of-high-speed-dram-hbm2e/

9. https://product.skhynix.com/products/dram/hbm/hbm2e.go

10. https://product.skhynix.com/products/dram/hbm/hbm3.go

11. https://product.skhynix.com/products/dram/hbm/hbm3.go

12. https://news.skhynix.com/sk-hynix-at-nvidia-gtc-2022-demonstrating-the-worlds-fastest-dram-hbm3/

13. https://omdia.tech.informa.com/-/media/tech/omdia/brochures/ai/dram-for-graphics-ai-report---2021.aspx?rev=9025f25d809d48aca5fbec79b67d6850&hash=9928D22EEF52761FBB7272C7899187A6