HBM的逆袭好戏！

公众号新闻

2024-06-19 02:06

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2024年的半导体行业中，始终绕不开两家韩国公司。

一家是三星半导体，另一家是SK海力士，这两家共同控制了全球70至80%的内存市场，让本来羸弱的本国半导体得以比肩美日欧等老牌发达国家，成为了韩国经济腾飞的一个缩影。

耐人寻味的是，这两家公司也与一般的半导体公司有所不同，它们的前缀代表了目前韩国最大的两个财阀集团——三星和SK。

虽然说背靠大树好乘凉，但三星半导体和SK海力士现在的境遇却大有不同：后者凭着HBM和服务器DRAM，已然走出了去年下行周期的阴影，但前者却是屋漏偏逢连夜雨，一边是HBM没能通过英伟达的验证，另一边先进制程的代工业务也难有起色。

同样是财阀，同样是做内存，为什么海力士就是比三星过得好呢？归根到底，这是一个由HBM主导的逆袭好戏。

HBM的崛起

HBM的历史最早可以追溯到十几年前。

2009年后，TSV（硅通孔）技术逐步成熟，这种新型三维堆叠封装技术将多颗芯片(或者晶圆)垂直堆叠在一起，然后在内部打孔、导通并填充金属，实现多层芯片之间的电连接，能够大大减少半导体设计中的引线使用量，降低工艺复杂度，从而提升速度、降低功耗、缩小体积。

随着尔必达、海力士、三星和美光等厂商陆续推出采用TSV技术的DRAM，合并了ATi的AMD开始勾勒HBM的雏形，当时GPU所使用的GDDR显存受到了内存带宽和功耗控制的限制，而HBM的思路，就是用TSV技术打造立体堆栈式的显存颗粒，让“平房”进化为“楼房”，同时通过硅中介层让显存连接至GPU核心，并封装在一起，完成显存位宽和传输速度的提升。

为了完成HBM的设计，AMD找了几个合作伙伴，分别是有3D 堆叠内存经验的海力士，做硅中介层的联电，以及负责封装测试的日月光和Amkor。

潜心研发多年后， AMD和SK海力士在2013年共同推出了推出了HBM初代技术与产品，并在2015年首次搭载于AMD的Radeon R9 Fury X显卡之上。

而AMD事业群CTO Joe Macri后续也对首次落地应用的HBM做了一系列回应。Macri表示，AMD自2009年开始，就已经着手HBM的研发工作，在长达7年的时间里，AMD与SK海力士在内的众多业界伙伴一起完成了HBM的最终落地。

他在媒体问答中谈到了HBM显存的必要性，2015年主流的显存规格是GDDR5，经过多年的使用和发展已经进入了瓶颈期，迫切需要新的替代技术。未来GPU的功耗不可能无限制地增长下去，越来越大的高规格显存正在挤压GPU核心的功耗空间，以前一张卡就200W功耗，显存分到30W，而之后的大容量显存却水涨船高，60W、70W、80W……再加上核心的提升，一张显卡往往有五六百瓦的功耗。

HBM就是为了解决上述问题而生的。HBM初代的带宽为4096bit，远超GDDR5的512bit，在Radeon R9 Fury X上，HBM的每瓦带宽超过35GB/秒，每瓦能效提高了3倍，且由于GPU核心和显存封装在了一起，还减轻了散热的压力，诸多优点，让HBM这项技术一度成为了DRAM乃至半导体行业的焦点。

作为HBM的生产厂商，海力士的江湖地位自然也是水涨船高，虽然还比不过行业老大三星，但也是DRAM厂商中的佼佼者了。

三星的折戟

虽然AMD和海力士主导了HBM的研发，但一项行业的标准，显然不能只靠两家厂商，2015年HBM初代量产后，三星和英伟达等多家公司也参与到了第二代HBM，也就是HBM2的标准化进程之中。

三星的判断非常果断，没有参与HBM研发的它，选择直接跳过初代，直接主攻第二代HBM，该消息在2015年的IDF上宣布时，引起了轩然大波，海力士苦心研发多年的HBM，三星居然已经在准备量产HBM2了，不愧是当初击垮尔必达和奇梦达的DRAM霸主。

2016年1月31日，在美国旧金山举行的国际半导体电路会议(ISSCC)上，海力士和三星分别公布了自己的HBM2开发成果，SK海力士推出了64Gb容量的HBM2产品，而三星则推出了每秒可传输和接收307GB数据的HBM2产品，作为后来者，三星的HBM2产品甚至超出了标准的HBM2速度，这对海力士造成了不小的打击。

2017年以后，三星和海力士围绕着HBM展开了一场激烈的争夺战：2017年下半年，SK海力士的HBM2宣布量产；2018年1月，三星宣布开始量产第二代8GB HBM2“Aquabolt”；2019年8月，SK海力士宣布成功研发出新一代“HBM2E”；2020年2月，三星宣布推出其16GB HBM2E产品“Flashbolt”，于2020年上半年开始量产……

三星一度在这场标准量产竞赛中取得了领先，包括英伟达第一张搭载HBM的显卡——Tesla P100，也采用了来自三星的HBM2产品，而海力士此时还在因为AMD不再采用HBM而黯然神伤，在第二代标准上整整晚了一年多的时间。

如果按照最初的势头，那么海力士很难有翻身的机会，苦心孤诣研发多年的几乎却为三星作了嫁衣，当时最大的HBM客户英伟达也被三星拉拢，HBM市场似乎已经没有了它的容身之处。

但三星自己却犯了一个小小的错误，因为HBM的需求低于预期且无法保证盈利能力，它在2019 年解散了HBM的开发团队，导致其在HBM3技术上远远落后于海力士，最终把HBM市场份额拱手让给了海力士。

不止于此，在HBM这项技术上，三星和SK海力士各自采用不同的封装方法。SK的选择是回流焊成型底部填充 (MR-MUF) 方法，在烤箱中同时烘烤所有层，而三星则采用了热压缩非导电膜 (TC NCF) 技术，在每层之间用薄膜堆叠芯片。

SK海力士的 MR-MUF 技术可一次性封装多层 DRAM。在 DRAM 下方，有用于连接芯片的铅基“凸块”，MR 技术涉及加热并同时熔化所有这些凸块以进行焊接。连接所有 DRAM 后，将执行称为 MUF 的工艺来保护芯片，通过注入一种以出色的散热性而闻名的环氧密封化合物来填充芯片之间的间隙并将其封装起来，然后通过施加热量和压力使组件变硬，从而完成 HBM。SK海力士将此过程描述为“像在烤箱中烘烤一样均匀地施加热量并一次性粘合所有芯片，使其稳定而高效。”

三星的 TC NCF 被称为“非导电薄膜热压”，与MR-MUF略有不同。其每次堆叠芯片时，都会在各层之间放置一层非导电粘合膜。该膜是一种聚合物材料，用于将芯片彼此隔离，并保护连接点免受冲击。三星逐步降低了 NCF 材料的厚度，将其降至 12 层第五代 HBM3E 的 7 微米 (µm)。三星表示：“这种方法的优点是可以最大限度地减少随着层数增加和芯片厚度减小而可能发生的翘曲，使其更适合构建更高的堆栈。”

但三星的TC NCF远不如MR-MUF来得稳定，三星HBM3芯片的生产良率约为10%~20%，而SK海力士的HBM3良率可达60%~70%。而且由于发热和功耗问题。三星最新的HBM芯片尚未通过英伟达的测试，不仅影响到了三星的 HBM3 芯片，也影响到这家韩国科技巨头打算在今年推向市场的HBM3E 芯片。

一度在HBM2和HBM2E上领先的三星，倒在了HBM3这一标准上，因为不够赚钱而放缓技术研发的三星，看到如今海力士因HBM赚得盆满钵满，心里也不知是何滋味。

重整旗鼓？

据韩媒报道，三星在今年3月拆分了其下一代 HBM 开发组织，以加强其在高带宽内存 (HBM) 领域的竞争力，计划于明年量产的HBM4将由新组建的HBM开发团队负责，而HBM3E 则由负责开发现有 HBM 的 DRAM 设计团队处理，意图通过这种双轨轮流开放来追赶上海力士。

“最近成立的HBM开发团队正专注于HBM4，三星电子一位熟悉此事的人士说，"而 HBM3E 则由之前负责 HBM 开发的 D-RAM 设计团队负责开发和量产。"

就在3月份，三星电子设备解决方案（DS）部门总裁庆桂显还表达了对 HBM4 的信心，“我们有一个专门负责（HBM）的团队，该团队正在努力提高质量和生产率，”他自己的Instagram 账户上写道，相信通过他们的努力，HBM的领导地位正在向三星走来。“我们的许多客户都希望开发定制的 HBM4，我们将与他们一起努力实现这一目标。”

距离他这话落下两个月后，三星在5月21日宣布半导体部门紧急换帅，全永鉉取代了庆桂显，成为新任三星电子设备解决方案负责人，这位之前处理过SDI在三星Note7电池发热起火危机的救火队员，如今又是临危受命，而他首先需要解决的，就是目前HBM的问题。