【芯視野】突破帶寬極限 HBM成為競逐高性能市場的內(nèi)存黑馬

當(dāng)代電子計算體系的表現(xiàn)完全依賴于處理器和內(nèi)存的相互配合，根據(jù)馮諾伊曼的設(shè)想，兩者之間的速度應(yīng)該非常接近，但摩爾定律讓這一美好設(shè)想落了空。處理器的性能按照摩爾定律規(guī)劃的路線不斷飆升，內(nèi)存所使用的DRAM卻從工藝演進(jìn)中獲益很少，性能提升速度遠(yuǎn)慢于處理器速度，造成了DRAM的性能成為制約計算機(jī)性能的一個重要瓶頸，即所謂的“內(nèi)存墻”。

在AI芯片大幅興起的時代，對內(nèi)存的要求更是有增無減，業(yè)界為了打破內(nèi)存墻而設(shè)計了多種方案，HBM（高帶寬存儲器 High Bandwidth Memory）就是其中的一種。這種新型的內(nèi)存方案具備高帶寬、低功耗的特點(diǎn)，已逐漸在競爭中脫穎而出，成為AI芯片的重要之選。同時，隨著工藝的不斷提升，5G等應(yīng)用也在對其敞開大門。

突破帶寬極限

在AI應(yīng)用當(dāng)中，內(nèi)存和I/O帶寬是影響系統(tǒng)性能至關(guān)重要的因素。如果內(nèi)存性能跟不上，對指令和數(shù)據(jù)的搬運(yùn)（寫入和讀出）的時間將是處理器運(yùn)算所消耗時間的幾十倍乃至幾百倍。換而言之，很多AI芯片所描述的實(shí)際算力會因?yàn)榇鎯ζ鞯囊蛩亟档?0%甚至90%。

解決這個問題的根本就是采用新型的內(nèi)存方案，最有代表性的就是GDDR和HBM。GDDR發(fā)展自DDR，采用傳統(tǒng)的方法將標(biāo)準(zhǔn)PCB和測試的DRAMs與SoC連接在一起，具有較高的帶寬和較好的能耗效率，其缺點(diǎn)在于更難保證信號完整性和電源完整性。

HBM同樣也基于DRAM技術(shù)，使用TSV（硅過孔）技術(shù)將數(shù)個DRAM芯片堆疊起來，并通過貫通所有芯片層的柱狀通道傳輸信號、指令和電流。

憑借TSV方式，HBM大幅提高了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，與傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)相比，HBM具有更高帶寬、更多I/O數(shù)量、更低功耗、更小尺寸，可應(yīng)用于高性能計算（HPC）、超級計算機(jī)、大型數(shù)據(jù)中心、AI、云計算等領(lǐng)域。

“HBM的傳輸速率會容易提升，原因在于采用2.5D的封裝，整個信號完整性要比 DDR要更容易實(shí)現(xiàn)。”業(yè)內(nèi)資深人士白文杰（化名）這樣評價。

當(dāng)代電子計算體系的表現(xiàn)完全依賴于處理器和內(nèi)存的相互配合，根據(jù)馮諾伊曼的設(shè)想，兩者之間的速度應(yīng)該非常接近，但摩爾定律讓這一美好設(shè)想落了空。處理器的性能按照摩爾定律規(guī)劃的路線不斷飆升，內(nèi)存所使用的DRAM卻從工藝演進(jìn)中獲益很少，性能提升速度遠(yuǎn)慢于處理器速度，造成了DRAM的性能成為制約計算機(jī)性能的一個重要瓶頸，即所謂的“內(nèi)存墻”。

在AI芯片大幅興起的時代，對內(nèi)存的要求更是有增無減，業(yè)界為了打破內(nèi)存墻而設(shè)計了多種方案，HBM（高帶寬存儲器 High Bandwidth Memory）就是其中的一種。這種新型的內(nèi)存方案具備高帶寬、低功耗的特點(diǎn)，已逐漸在競爭中脫穎而出，成為AI芯片的重要之選。同時，隨著工藝的不斷提升，5G等應(yīng)用也在對其敞開大門。

突破帶寬極限

在AI應(yīng)用當(dāng)中，內(nèi)存和I/O帶寬是影響系統(tǒng)性能至關(guān)重要的因素。如果內(nèi)存性能跟不上，對指令和數(shù)據(jù)的搬運(yùn)（寫入和讀出）的時間將是處理器運(yùn)算所消耗時間的幾十倍乃至幾百倍。換而言之，很多AI芯片所描述的實(shí)際算力會因?yàn)榇鎯ζ鞯囊蛩亟档?0%甚至90%。

解決這個問題的根本就是采用新型的內(nèi)存方案，最有代表性的就是GDDR和HBM。GDDR發(fā)展自DDR，采用傳統(tǒng)的方法將標(biāo)準(zhǔn)PCB和測試的DRAMs與SoC連接在一起，具有較高的帶寬和較好的能耗效率，其缺點(diǎn)在于更難保證信號完整性和電源完整性。

HBM同樣也基于DRAM技術(shù)，使用TSV（硅過孔）技術(shù)將數(shù)個DRAM芯片堆疊起來，并通過貫通所有芯片層的柱狀通道傳輸信號、指令和電流。

憑借TSV方式，HBM大幅提高了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，與傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)相比，HBM具有更高帶寬、更多I/O數(shù)量、更低功耗、更小尺寸，可應(yīng)用于高性能計算（HPC）、超級計算機(jī)、大型數(shù)據(jù)中心、AI、云計算等領(lǐng)域。

“HBM的傳輸速率會容易提升，原因在于采用2.5D的封裝，整個信號完整性要比 DDR要更容易實(shí)現(xiàn)。”業(yè)內(nèi)資深人士白文杰（化名）這樣評價。

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