HBM是什么？为何存储器三雄都要扩产？

存储器一直是不太性感的产业，最常见的新闻就是跟“景气循环”写在一起。但近期，存储器大厂开始占据外媒科技版首页，并跟一组关键字有紧密的连动──HBM。

HBM是高频宽存储器，作为重要的供应商，海力士2023年的股价攀升86%、美光更大涨近70%。背后主要的原因，还是离不开AI，甚至离不开辉达（NVIDIA）。

到底什么是HBM，为什么在AI时代成为众人追捧的关键？
HBM是什么？跟传统DRAM有什么不同？简单来说，越强的AI处理器，需要越强的存储器。
美光副总裁暨运算与网路事业部运算产品事业群总经瓦伊迪亚纳坦（Praveen Vaidyanathan）指出，晶片性能表现与存储器的频宽和容量成正相关，随着大语言模型（LLM）参数量增加，也需要更高频宽存储器，AI处理器才能顺利运行。
HBM相较传统DRAM为高频宽存储器。高频宽就好比是高速公路，道路越宽可承受的车流量就越大，换句话说频宽越高，存储器能运送的资料量就越大。《SemiAnalysis》指出，光GPT-4就含1.8兆个参数，想应用AI，就必须搭配像HBM这样容量更大、存取更快速的存储器，让参数可以轻易被传输与储存。

HBM是由大众所熟知的DRAM（动态随机存取存储器）堆叠，再透过3D IC先进封装而成。如同盖积木般，透过先进封装将DRAM做3D立体堆叠，加大频宽与储存空间，与一般DRAM之间并不存在取代关系，而是因为应用需求的不同，衍生出的技术。

HBM技术难在哪？
技术听起来简单，然而却有不少须突破的技术障碍。瓦伊迪亚纳坦指出3项技术难点：
首先，是厚度。HBM厚度仅能为人类头发的一半，意味着每一层DRAM的厚度都必须控制，研磨必须相当精细。瓦伊迪亚纳坦指出：“一旦堆叠层数越多，DRAM就必须做的更薄。”在这样的状况下，企业必须拥有更先进的DRAM制程才可能达成。
其次，是晶圆堆叠的精准度。HBM的封装是将每一片DRAM晶圆叠齐后再做切割，切割下来的晶粒就是HBM。不过，制造商为让堆叠更薄，会在矽晶圆上穿孔并以金属物质填满，用以通电，藉此取代传统封装的导线架。这样的打洞技术则称为“矽穿孔（TSV, Through Silicon Via）。”
倘若是堆叠4层的HBM，从晶圆堆叠切割前开始，就必须精准对齐矽穿孔（TSV），“切的时候也不能移位，否则不能导电。”瓦伊迪亚纳坦说。由于矽穿孔仅略大于细菌尺寸，需要非常精细的工艺才能做到。

第三，就是堆叠后的散热问题。HBM之所以被发明，来自于晶片商希望能将存储器和处理器，包含CPU和GPU，全都包在一颗IC中。如此一来，存储器与处理器的距离变得比之前近很多，散热问题更需要被解决。综合三点来看，封装技术的重要性更甚以往。

由于技术难度高，成本也相对高昂。早在2013年HBM就已经诞生，当时超微（AMD）找上海力士共同研发第一代HBM，却因价格太贵而鲜少被晶片业者采用，直至今日才因为AI应用而崛起。

晶片业者分析，虽然越先进的HBM价格越高，但只要效能够好、够省电，厂商当然愿重本采用，“不然黄仁勋（辉达执行长）要怎么喊出‘买越多、省越多’的口号。”
那么，HBM市场在哪呢？目前来看，AI伺服器会是HBM最重要的市场，美光以及海力士的HBM3e已通过辉达的验证，市场更盛传辉达已支付数亿美元的预付款以确保供应。瓦伊迪亚纳坦指出：“AI伺服器所需要的存储器量，是传统伺服器的5～6倍。”

除此之外，未来自驾车市场也是HBM重要的应用场景。Mordor Intelligence在10月出版的一份报告中表示，自驾车与ADAS（自动驾驶辅助系统）正在推升HBM的需求。从这个情况看来，AI伺服器＋车用的HBM市场需求，可能将长达10年。

HBM背后的存储器厮杀战！海力士市占最高、美光靠技术抢市
在这样的情况下，HBM也成为存储器巨头的最新战场。作为先进者的海力士，在2022年拿下近全球近5成HBM市占夺冠，居次的三星占4成、美光占1成。《BusinessKorea》报导，三星将在2024年积极扩产HBM以追上海力士脚步。而看似落后的美光，希望在HBM战局中，用技术吹响反攻号角。
如同中国台湾台积电的3、5奈米，DRAM也有制程迭代，排序为1y、1z、1α（1-alpha）、1β（1-beta）和1γ（1-gamma），其中1β是当前已量产的最先进存储器，1γ则还未量产。若进一步比较，最新一代的HBM3e，三星采用的是1α制程，海力士与美光皆用1β制作，于技术上领先三星。投资银行分析师指出，美光是希望藉着HBM技术领先，抢攻市场龙头。
不过，HBM目前最大的挑战是“良率”。
日本微细加工研究所所长汤之上隆于1月的专栏指出，虽然HBM技术门槛较高，但其售价比DRAM高出10倍以上，商业诱因充足。因此，即便HBM的良率低于50%，仍是存储器制造商无法轻易放弃的市场。
下一代的HBM预计将于2026年推出，堆叠层数也会自现有的12层增加至16层，2027年有机会问世，届时先进封装技术和良率角色将更为吃重。
全球存储器市场长久以来三分天下，HBM受到重视后则开启全新战局，甚至可能扭转局势。在先进技术优先、成本其次考量的AI时代，存储器比起以往将扮演更重要的角色。