集微网 · 11月18日 · 江苏

AI大面积催化HBM需求,国产产业链“静水流深”

集微网消息,存储芯片近年来行情持续承压,虽然一直有触底的声音,但在今年上半年DRAM和NAND的价格仍在进一步下跌,直到Q3开始,DRAM和Nand Flash的价格出现环比上升,随着终端需求进一步回暖,市场供需和产品价格出现改善,其中,HBM作为DRAM的一种,今年价格逆势上涨5倍之多,那么HBM究竟是种什么芯片,成为半导体下行周期中的大黑马?

智能芯片大厂持续追加HBM订单

继英伟达10月确定扩大下单后,苹果、AMD、博通、迈威尔等重量级客户近期对台积电追加CoWoS订单。台积电为应对上述五大客户需求,加快CoWoS先进封装产能扩充进度,明年产能将比原定生产目标增加120%,达3.5万片/月。

台积电总裁魏哲家指出,“客户要求增加先进封装产能,并非因为半导体先进制程价格问题,而是客户更有提升系统性能的需求,包括传输速度、降低功耗等因素”。先进封装的出现,让业内看到了通过先进封装技术推动芯片高密度集成、性能提升、体积微型化和成本下降的巨大优势,先进封装技术正成为集成电路产业发展的新引擎。

事实上,相较于传统消费级芯片,算力芯片面积更大,存储容量更大,对互连速度要求更高,而Chiplet技术很好地满足了算力芯片性能与成本需求。台积电作为Chiplet工艺龙头,以CoWoS为代表的先进封装技术是目前HBM与CPU/GPU处理器集成的主流方案,所有先进的人工智能加速器都在使用HBM,而当前几乎所有的HBM系统都封装在CoWoS上,因而所有领先的数据中心GPU都是台积电进行封装。

HBM解决内存带宽及功耗瓶颈

HBM(High Bandwidth Memory)即高宽带存储器,相对于GDDR显存来讲,HBM是一种3D堆叠方式,通过使用先进封装方法垂直堆叠多个DRAM,与GPU通过中介层互联封装在一起,在较小的物理空间里实现存储器高容量、高宽带、低延时与低功耗。在传统架构下,数据从内存到计算单元的传输功耗是计算本身能耗的200倍,数据在内存与处理器之间的频繁迁移带来了严重的功耗问题。

HBM由于其较为复杂的设计及封装工艺导致其产能较低,且成本较高,其特性决定产品更适用于HPC领域,因而在终端AI的应用十分广泛。英伟达创始人黄仁勋曾表示计算性能扩展的最大弱点是内存带宽,而HBM打破内存带宽及功耗瓶颈。而在前不久2023年韩国投资周半导体会议上,SK海力士表述观点,在人工智能的驱动下,HBM内存芯片需求倍增,未来三年的年均复合增长率将达到82%。

HBM的应用其实由来已久。自2014年首款硅通孔HBM产品问世至今,HBM技术已经发展到第四代,最新的 HBM3带宽、堆叠高度、 容量、I/O速率等较初代均有多倍提升。英伟达自2019年便推出针对数据中心和HPC场景的专业级GPU并搭载HBM2内存,此后英伟达数据中心加速计算GPU V100、A100、H100均搭载HBM显存,新近发布的GH200产品预计将搭载HBM3E内存,于2024年Q2出货,HBM3E整体性能较上一代产品性能再次提升25%。

除了英伟达外,Google将于2023年下半年积极扩大与Broadcom合作开发AISC,其AI加速器芯片TPU也搭载HBM存储器,以扩建AI基础设施。

SK海力士领跑,三星重塑格局

从市场格局上来看,HBM的竞争主要在SK海力士、三星和美光之间展开。根据 TrendForce报告统计,2022 年SK海力士占据了HBM全球市场规模的50%,其次是三星占比40%,美光占10%,并对2023年市场份额进行预测,海力士和三星的HBM份额占比约为46-49%,而美光的份额将下降至4%-6%,并在2024年进一步压缩至 3%-5%。

从技术上来看,SK海力士是目前唯一实现HBM3量产的厂商,英伟达对其大量预定订单,配置在其高性能GPU H100之中,保持领衔的市场地位;服务器市场份额持续领先的英特尔也在其全新第四代至强可拓展处理器中配备了SK海力士HBM产品;此外,AMD、微软、亚马逊等海外AI科技巨头相继向SK海力士申请了HBM3E样片。

然而,在AI和高性能计算需求的推动下,三星和美光并不甘人后,积极扩大其HBM生产能力。其中,三星投资逾7000-10000亿韩元购置设备并计划额外巨资扩产,投入量产8层、12层HBM3产品,同时研发下一代HBM4,预计2025年推出,专注于提升高温性能和封装技术;美光科技台中四厂正专攻HBM生产,意图在2024年批量出货HBM3E,同时争取英伟达认证。

国内产业链在原材料GMC领域参与度高

由于独特的3D堆叠结构,HBM芯片为上游设备和制造材料等领域带来了增量市场。相较传统封装,先进封装对固晶机、研磨设备精度要求更高,对测试机的需求量增多,同时因为多了凸点制造、RDL、TSV等工艺,产生包括光刻设备、刻蚀设备、深孔金属化电镀设备、薄膜沉积设备、回流焊设备等在内的新需求。

在前道环节,HBM需要通过TSV进行垂直方向连接,TSV加工流程包括孔成型、沉积绝缘层、减薄、电镀、CMP等,是3D封装中成本占比最高的部分,增加了TSV刻蚀设备的需求,国内厂商北方华创、中微公司在该设备领域均有布局;而在后道封装环节需要die bond封装设备,以及存储芯片测试设备,国内主要参与厂商包括新益昌、长川科技、华峰测控等。

此外,算力升级也将进一步刺激PCB市场的需求。算力高要求下实现PCB性能关键在其核心材料高频高速覆铜板,而决定高频高速覆铜板核心指标优劣在其原材料的选用,树脂、硅微粉等为关键因素,算力升级带来上游原材料端需求的增长弹性。

华海诚科是HBM上游封装原材料GMC国内唯一上市公司,已经通过客户验证进入送样阶段,现处于送样阶段。联瑞新材部分客户是全球知名的GMC供应商,因HBM在封装高度提升、散热需求大问题上,颗粒封装材料需添加球硅、球铝,而海力士曾公开披露,“球硅和球铝是作为HBM1升级至HBM3、HBM3E的关键材料”。值得一提的是,在联瑞新材9月7日的投资者活动记录表中曾披露,公司配套生产HBM所用的球硅和球铝。

尽管,在短期内,国内产业链在HBM芯片生产过程中的参与度并没有那么高,但是立足国产替代的大环境之下,HBM的应用前景和应用趋势也已逐渐明朗,在其高速的发展中,也势必会涌跃出一批优秀的产业链补足国产HBM产业链短板。

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