存储芯片减产，AI芯片暴增！

来源：电子工程专辑

编辑：感知芯视界

过去近两年来，受消费电子市场需求疲软等因素影响，存储芯片产业游进入库存过剩、订单减少、价格暴跌的“寒冬”。三星、美光、SK海力士、铠侠等存储芯片大厂纷纷减产、去库存，但市场行情是否筑底众说纷纭，整体产业回暖的迹象亦不明显。

然而，在生成式AI对算力需求的带动下，2023年初以来高带宽内存(HBM)在整个存储芯片产业中可谓“这边风景独好”。目前，三星、SK海力士、美光等存储芯片大厂均在布局与抢占这一细分市场利好。

与此同时，随着AI对内存速率提出更高的要求，HBM技术创新仍将持续不断演进。因此，相对整个存储芯片产业而言，HBM这一细分领域出现了产能和性能双提升的增长态势。

HBM增长势头强劲

HBM(High Bandwidth Memory)是一款新型的CPU/GPU内存芯片(即“RAM”)，其实就是将很多个DDR芯片堆叠在一起后和GPU封装在一起，实现大容量、高位宽的DDR组合阵列，可被广泛应用于高性能计算、人工智能、图形处理和数据中心等领域。

整体来看，HBM具有超越一般芯片集成的RAM的特殊优势：一是高速、高带宽的特性使HBM非常适合用于GPU显存和HPC高性能计算、AI计算;二是由于采用了TSV和微凸块技术，HBM具备更好的内存功耗能效特性，相对于GDDR5存储器，HBM2的单引脚I/O带宽功耗比数值降低42%，更低的热负荷降低了冷却成本;三是在物理空间日益受限的数据中心环境中，HBM紧凑的体系结构也是其独特的优势。

今年初以来，ChatGPT突然爆火，带动了AI大模型的快速增长，使得具备高带宽和低功耗特性的HBM成为处理大规模数据和复杂计算任务的理想选择。据悉，2023年开年后，三星、SK海力士两家存储大厂HBM订单快速增加，价格也水涨船高，HBM3规格DRAM价格甚至上涨5倍。

过去数月里，HBM乘AI东风，市场关注度大幅上升。据悉，三星电子、SK海力士等韩国本土存储半导体企业正在推动HBM专用线的扩张。两家公司计划在2024年年底前投资超过2万亿韩元，使HBM生产线目前的产能增加一倍以上。SK海力士计划利用利川现有HBM生产基地的清州工厂的闲置空间。三星电子正在考虑扩大位于忠清南道天安市的HBM核心生产线。

另一大存储大厂美光也很早就嗅到AI应用商机，于2019年在中国台湾成立HBM部门。美光甚至表示，看好2022年至2025年HBM市场年复合成长率超50%。

当前，HBM市场呈现三足鼎立格局。TrendForce研究显示，2022年三大原厂HBM市占率分别为SK海力士占50%、三星约40%、美光约占10%。

从发展进程来看，2023-2024年将是AI建设爆发期，大量需求集中在AI训练芯片上，势必推升HBM使用量。预计2023年，HBM即便在原厂扩大产能的情况下，仍无法完全满足客户需求。从各原厂规划看，预计2024年HBM供给位元量将年增长105%。另据semiconductor-digest预测，到2031年，全球高带宽存储器市场预计将从2022年的2.93亿美元增长到34.34亿美元，在2023-2031年的预测期内复合年增长率为31.3%。

三星获英伟达HBM订单

在AI大模型热潮影响下，科技大厂接连布局AI大模型，掀起了AI大模型竞争之战，可以预见未来算力需求仍将大幅增长。目前，NVIDIA、AMD、Intel等高端AI芯片大多选择搭载HBM。而作为加速计算领导者，英伟达更是受益于ChatGPT引发AI大模型需求增长，今年以来股价累计涨幅已超过245%,目前(9月5日)市值已站上1.2万亿美元。

当前，在核心GPU(图像处理器)加速计算芯片供不应求的情形下，英伟达在加大GPU供应量的同时，也加速推出新一代算力更快的芯片——超级芯片GH200，以持续巩固AI大模型核心算力芯片供应商地位。

中信证券分析认为，目前英伟达数据中心加速卡销量仍主要以高端的A100/H100系列卡为主，其中台积电CoWoS环节产能为主要约束，考虑到封测设备的交货周期等因素，预计台积电CoWoS产能实质性改善至少应在2024Q2左右。

当然，除了CoWoS产能不足之外，HBM也是供不应求。目前，SK海力士是HBM3领域的全球领导者，迄今为止也是英伟达唯一为AI加速器提供HBM的供应商。有专家认为，HBM3是需高带宽的人工智能服务的理想选择。

然而，SK海力士一家远远难以满足英伟达对HBM的需求。据悉，英伟达计划到2024年出货最高200万颗H100。此前HBM供应商主要是SK海力士，但是产能也有限，如果英伟达不引入其他HBM供应商，那么要达成这一目标将变得相当困难。这势必迫使英伟达寻找更多的HBM供应商进行合作。

9月5日消息，据韩国媒体报导，三星电子已获得英伟达(NVIDIA)的高带宽内存(HBM)订单。据悉，三星的HBM已通过NVIDIA的第四次测试，也是最后一次品质测试。随后，两家公司已同意签订供应协议。根据该协议，双方的供货最早可能在10月启动。现在NVIDIA已经拥有SK Hynix和三星作为其HBM供应商，这使得AI GPU的产量能够提升。

花旗集团分析师也曾在一份报告中写道，三星电子将从第四季度开始供应HBM3新一代内存，经过优化配合人工智能加速器使用。未来，随着三星的加入，英伟达将在很大程度上缓解GPU供应不足的压力。

HBM技术不断演进

未来数年，HBM的发展“钱景”被存储大厂广受看好。而在当前高性能计算应用对内存速率提出更高要求的背景下，HBM技术将继续进行改进和创新。

从技术发展趋势看，HBM促使DRAM从传统2D加速走向立体3D，充分利用空间、缩小面积，契合半导体行业小型化、集成化的发展趋势。具体来看，增加堆叠层数、提高数据传输速度和密度，以及降低功耗和成本等方面的改进，将推动HBM技术的进一步发展。

目前，HBM内部的DRAM堆叠属于3D封装，而HBM与AI芯片的其他部分合封于Interposer上属于2.5D封装，是典型的Chiplet应用。

过去十年里，高带宽和高密度的HBM解决方案不断涌现，使得数据传输速度更快、容量更大，同时降低功耗和占用空间。据悉，HBM发展至今第四代性能不断突破。自2014年首款硅通孔HBM产品问世至今，HBM技术已经发展至第四代，分别是：HBM(第一代)、HBM2(第二代)、HBM2E(第三代)、HBM3(第四代)，HBM芯片容量从1GB升级至24GB，带宽从128GB/s提升至819GB/s，数据传输速率也从1Gbps提高至6.4Gbps。

为了抢占未来HBM市场，目前各大存储大厂也在不断提升HBM技术性能。近日，美光中国台湾地区董事长卢东晖就表示，美光有多达65%的DRAM产品在中国台湾生产，继日本厂于2022年10月开始量产1β(1-beta)制程技术后，中国台湾现在也开始量产1-beta制程。同时，台日团队还研发新一代的1-gamma制程，是美光第1代采用极紫外光(EUV)的制程技术，将在2025年上半年先在台中厂量产。

而三星早在2022年10月召开的Samsung Foundry Forum 2022活动上，就对外公布了DRAM技术路线图。按照规划，三星将于2023年进入1bnm工艺阶段，芯片容量将达到24Gb(3GB)- 32Gb(4GB)，原生速度将在6.4-7.2Gbp。

今年5月，三星已宣布量产12纳米级16Gb DDR5 DRAM，随后9月宣布采用12纳米(nm)级工艺技术，开发出其容量最大的32Gb DDR5 DRAM，全新12纳米级32Gb DDR5 DRAM计划于今年年底开始量产。

尽管各大储存厂商正不断加码HBM，但其技术创新仍需克服两大主要问题：一是HBM需要较高的工艺，进而大幅度提升了成本;二是大量DRAM堆叠，和GPU封装在一起，产生大量的热，如何散热是极大的挑战。

整体来看，存储产业出现了分化的市场行情：一方面在多类消费电子需求疲弱背景下，多家NAND Flash厂商仍在减产，另一方面因AI服务器需求增加，与AI场景高算力需求匹配的HBM需求上升。然而，AI浪潮催化下的DRAM行情虽有好转迹象，但整个存储芯片产业似乎仍待实际需求支撑。

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审核编辑 黄宇