人工智能的蓬勃發(fā)展促使產(chǎn)業(yè)對AI基礎設施提出了更高的性能要求，先進計算處理單元，尤其是ASIC或GPU，為了在機器學習、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，在我們報道的不少AI芯片、HPC系統(tǒng)中，HBM或類似的高帶寬內(nèi)存越來越普遍，為數(shù)據(jù)密集型應用提供了支持。

提及HBM，不少人都會想到成本高、良率低等缺陷，然而這并沒有影響業(yè)內(nèi)對HBM的青睞，諸如AMD的RadeonPro5600M、英偉達的A100等消費級/企業(yè)級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的標準。

HBM3性能未來可期

HBM2/2E與HBM3的架構對比 / SK海力士

HBM3帶來的性能提升大家應該都比較清楚了，傳輸速率是HBM2的兩倍，達到了6.4Gb/s，使得每個堆棧最高可達819GB/s的帶寬。可用的獨立通道也從HBM2的8個擴充至16個，加上每個通道兩個偽通道的設計，HBM3可以說支持到32通道了，提供更優(yōu)秀的時序來提升系統(tǒng)性能。

HBM3 8Hi和12Hi的機械結構對比/ 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海力士提供的機械結構圖來看，無論是8Hi還是12Hi，其封裝大小和高度都是一樣的，只不過是減小了中間堆疊的裸片高度。這僅僅是第一代HBM3，未來HBM3會擴展至16-high的TSV堆棧，單設備的內(nèi)存密度范圍也將達到4GB至64GB，不過第一代HBM3設備的話，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。

首個用上HBM3的平臺

以在GTC22上亮相的H100 GPU為例，這是全球首個支持PCIe5.0并利用HBM3的GPU，其內(nèi)存容量達到了80GB。這個容量與上一代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，達到了3TB/s。

英偉達各個系列GPU加速卡的內(nèi)存帶寬 / 英偉達

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

H100 GPU / 英偉達

其實原因很簡單，6個HBM3的其中一個為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也是如此設計的。

HBM找到了新的市場

根據(jù)SK海力士給出的市場預期，HBM市場正在以40%的年復合增長率席卷HPC、AI和CPU等應用，如今這其中還多出來一個特殊的應用，那就是ADAS和自動駕駛。如今的自動駕駛芯片上幾乎看不到HBM的存在，即便是英偉達的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了，誰叫如今的ADAS或自動駕駛方案還用不到HBM的大帶寬。花錢去設計HBM，還不如在芯片的計算性能上多下功夫。然而到了L4或L5的自動駕駛中，又是另外一幅光景了。低延遲和準確的數(shù)據(jù)處理對于激光雷達、攝像頭等傳感器來說，可謂至關重要，這兩大自動駕駛等級下的帶寬至少也要1TB/s。

據(jù)研究機構的預測，到了2030年，L4以上的自動駕駛系統(tǒng)將占據(jù)20%的市場，到了2035年，這一比例將上升至45%。為了不在突破L3時遇到帶寬的瓶頸，引入HBM可以說是越早越好，甚至從L3就可以開始考慮了，畢竟現(xiàn)在不少自動駕駛芯片已經(jīng)標榜著L3乃至L4以上的能力。

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

結語

雖然HBM3標準已經(jīng)發(fā)布，芯片設計公司（英偉達、AMD、英特爾）、IP公司（新思、Cadence、Rambus）、晶圓代工廠的封裝技術（臺積電Cowos-S、三星H-Cube、英特爾EMIB）以及存儲廠商（三星、SK海力士）都開始了相關的部署，但HBM3的普及仍然需要時間。

預計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年第二代才會開始放量，屆時我們也能看到下一代HBM4的性能前瞻。至于HBM上自動駕駛芯片倒是不必急求，汽車產(chǎn)品的上市周期一向很長，從HBM3的推進速度來看，估計L4和L5才能充分利用HBM3乃至HBM4的全部優(yōu)勢。