過去(qù)近兩年來，受消費(fèi)電(diàn)子市場需求疲軟等因素影響，存儲芯片産業遊進入庫存過剩、訂單減少、價格暴跌的“寒冬”。三星、美光、SK海力士、铠俠等存儲芯片大(dà)廠紛紛減産、去(qù)庫存，但市場行情是否築底衆說紛纭，整體(tǐ)産業回暖的迹象亦不明顯。
然而，在生(shēng)成式AI對算力需求的帶動下(xià)，2023年初以來高帶寬内存(HBM)在整個存儲芯片産業中(zhōng)可謂“這邊風景獨好”。目前，三星、SK海力士、美光等存儲芯片大(dà)廠均在布局與搶占這一(yī)細分(fēn)市場利好。
與此同時，随着AI對内存速率提出更高的要求，HBM技術創新仍将持續不斷演進。因此，相對整個存儲芯片産業而言，HBM這一(yī)細分(fēn)領域出現了産能和性能雙提升的增長态勢。
HBM增長勢頭強勁
HBM（High Bandwidth Memory）是一(yī)款新型的CPU/GPU内存芯片（即“RAM”），其實就是将很多個DDR芯片堆疊在一(yī)起後和GPU封裝在一(yī)起，實現大(dà)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(gōng)智能、圖形處理和數據中(zhōng)心等領域。
整體(tǐ)來看，HBM具有超越一(yī)般芯片集成的RAM的特殊優勢：一(yī)是高速、高帶寬的特性使HBM非常适合用于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具備更好的内存功耗能效特性，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(wù)理空間日益受限的數據中(zhōng)心環境中(zhōng)，HBM緊湊的體(tǐ)系結構也是其獨特的優勢。
今年初以來，ChatGPT突然爆火(huǒ)，帶動了AI大(dà)模型的快速增長，使得具備高帶寬和低功耗特性的HBM成爲處理大(dà)規模數據和複雜(zá)計算任務的理想選擇。據悉，2023年開(kāi)年後，三星、SK海力士兩家存儲大(dà)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(qù)數月裏，HBM乘AI東風，市場關注度大(dà)幅上升。據悉，三星電(diàn)子、SK海力士等韓國本土存儲半導體(tǐ)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(zī)超過2萬億韓元，使HBM生(shēng)産線目前的産能增加一(yī)倍以上。SK海力士計劃利用利川現有HBM生(shēng)産基地的清州工(gōng)廠的閑置空間。三星電(diàn)子正在考慮擴大(dà)位于忠清南(nán)道天安市的HBM核心生(shēng)産線。
另一(yī)大(dà)存儲大(dà)廠美光也很早就嗅到AI應用商(shāng)機，于2019年在中(zhōng)國台灣成立HBM部門。美光甚至表示，看好2022年至2025年HBM市場年複合成長率超50%。
當前，HBM市場呈現三足鼎立格局。TrendForce研究顯示，2022年三大(dà)原廠HBM市占率分(fēn)别爲SK海力士占50%、三星約40%、美光約占10%。
從發展進程來看，2023-2024年将是AI建設爆發期，大(dà)量需求集中(zhōng)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(dà)産能的情況下(xià)，仍無法完全滿足客戶需求。從各原廠規劃看，預計2024年HBM供給位元量将年增長105%。另據semiconductor-digest預測，到2031年，全球高帶寬存儲器市場預計将從2022年的2.93億美元增長到34.34億美元，在2023-2031年的預測期内複合年增長率爲31.3%。
三星獲英偉達HBM訂單
在AI大(dà)模型熱潮影響下(xià)，科技大(dà)廠接連布局AI大(dà)模型，掀起了AI大(dà)模型競争之戰，可以預見未來算力需求仍将大(dà)幅增長。目前，NVIDIA、AMD、Intel等高端AI芯片大(dà)多選擇搭載HBM。而作爲加速計算領導者，英偉達更是受益于ChatGPT引發AI大(dà)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(xià)，英偉達在加大(dà)GPU供應量的同時，也加速推出新一(yī)代算力更快的芯片——超級芯片GH200，以持續鞏固AI大(dà)模型核心算力芯片供應商(shāng)地位。
中(zhōng)信證券分(fēn)析認爲，目前英偉達數據中(zhōng)心加速卡銷量仍主要以高端的A100/H100系列卡爲主，其中(zhōng)台積電(diàn)CoWoS環節産能爲主要約束，考慮到封測設備的交貨周期等因素，預計台積電(diàn)CoWoS産能實質性改善至少應在2024Q2左右。
當然，除了CoWoS産能不足之外(wài)，HBM也是供不應求。目前，SK海力士是HBM3領域的全球領導者，迄今爲止也是英偉達唯一(yī)爲AI加速器提供HBM的供應商(shāng)。有專家認爲，HBM3是需高帶寬的人工(gōng)智能服務的理想選擇。
然而，SK海力士一(yī)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(shāng)主要是SK海力士，但是産能也有限，如果英偉達不引入其他HBM供應商(shāng)，那麽要達成這一(yī)目标将變得相當困難。這勢必迫使英偉達尋找更多的HBM供應商(shāng)進行合作。
9月5日消息，據韓國媒體(tǐ)報導，三星電(diàn)子已獲得英偉達（NVIDIA）的高帶寬内存(HBM)訂單。據悉，三星的HBM已通過NVIDIA的第四次測試，也是最後一(yī)次品質測試。随後，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月啓動。現在NVIDIA已經擁有SK Hynix和三星作爲其HBM供應商(shāng)，這使得AI GPU的産量能夠提升。
花旗集團分(fēn)析師也曾在一(yī)份報告中(zhōng)寫道，三星電(diàn)子将從第四季度開(kāi)始供應HBM3新一(yī)代内存，經過優化配合人工(gōng)智能加速器使用。未來，随着三星的加入，英偉達将在很大(dà)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(dà)廠廣受看好。而在當前高性能計算應用對内存速率提出更高要求的背景下(xià)，HBM技術将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(tǐ)3D，充分(fēn)利用空間、縮小(xiǎo)面積，契合半導體(tǐ)行業小(xiǎo)型化、集成化的發展趨勢。具體(tǐ)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，将推動HBM技術的進一(yī)步發展。
目前，HBM内部的DRAM堆疊屬于3D封裝，而HBM與AI芯片的其他部分(fēn)合封于Interposer上屬于2.5D封裝，是典型的Chiplet應用。
過去(qù)十年裏，高帶寬和高密度的HBM解決方案不斷湧現，使得數據傳輸速度更快、容量更大(dà)，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年首款矽通孔HBM産品問世至今，HBM技術已經發展至第四代，分(fēn)别是：HBM（第一(yī)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。
爲了搶占未來HBM市場，目前各大(dà)存儲大(dà)廠也在不斷提升HBM技術性能。近日，美光中(zhōng)國台灣地區董事長盧東晖就表示，美光有多達65%的DRAM産品在中(zhōng)國台灣生(shēng)産，繼日本廠于2022年10月開(kāi)始量産1β（1-beta）制程技術後，中(zhōng)國台灣現在也開(kāi)始量産1-beta制程。同時，台日團隊還研發新一(yī)代的1-gamma制程，是美光第1代采用極紫外(wài)光（EUV）的制程技術，将在2025年上半年先在台中(zhōng)廠量産。
而三星早在2022年10月召開(kāi)的Samsung Foundry Forum 2022活動上，就對外(wài)公布了DRAM技術路線圖。按照規劃，三星将于2023年進入1bnm工(gōng)藝階段，芯片容量将達到24Gb（3GB）- 32Gb（4GB），原生(shēng)速度将在6.4-7.2Gbp。
今年5月，三星已宣布量産12納米級16Gb DDR5 DRAM，随後9月宣布采用12納米(nm)級工(gōng)藝技術，開(kāi)發出其容量最大(dà)的32Gb DDR5 DRAM，全新12納米級32Gb DDR5 DRAM計劃于今年年底開(kāi)始量産。
盡管各大(dà)儲存廠商(shāng)正不斷加碼HBM，但其技術創新仍需克服兩大(dà)主要問題：一(yī)是HBM需要較高的工(gōng)藝，進而大(dà)幅度提升了成本；二是大(dà)量DRAM堆疊，和GPU封裝在一(yī)起，産生(shēng)大(dà)量的熱，如何散熱是極大(dà)的挑戰。
整體(tǐ)來看，存儲産業出現了分(fēn)化的市場行情：一(yī)方面在多類消費(fèi)電(diàn)子需求疲弱背景下(xià)，多家NAND Flash廠商(shāng)仍在減産，另一(yī)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(xià)的DRAM行情雖有好轉迹象，但整個存儲芯片産業似乎仍待實際需求支撐。