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巨頭搶奪戰，HBM被徹底引爆
在輝達一步步站穩萬億市值腳根的道路上，少不了兩項關鍵技術支援，其中之一是由台積電主導的CoWoS先進封裝，另一個便是席捲當下的HBM（高頻寬儲存）。
輝達H200是首次採用HBM3E儲存器規格的AI加速卡。借助記憶體速度更快、容量更大的HBM3e，輝達H200以每秒4.8TB的速度提供141GB的記憶體，與A100相比，容量幾乎是其兩倍，頻寬也提升了43%，從而加速生成式AI和大語言模型，提高高性能計算（HPC）的工作負載。
隨著人工智慧的興起，HBM成為巨頭們搶佔的高地。三星、SK海力士、美光等儲存巨頭紛紛將HBM視為重點生產產品之一。
HBM的火熱，給市場掀起巨大波瀾。一起看看HBM這股熱潮給市場帶來了哪些轉折？
01 HBM走紅，帶來三大影響
HBM成為力挽行業下行的關鍵詞之一
數個季度的持續低迷下，頭部儲存廠商相繼展現出季度收入環比增長趨勢，其中以SK海力士的表現最為亮眼，背後就離不開由HBM拉動對DRAM的需求提升。
今年Q1，SK海力士收入創歷史同期新高，營業利潤也創下了市況最佳的2018年以來同期第二高，公司將其視為擺脫了長時間的低迷期，開始轉向了全面復甦期。 SK海力士表示：“憑藉HBM等面向AI的儲存器技術領導力，公司提升了面向AI伺服器的產品銷量，同時持續實施以盈利為主的經營活動，從而實現了營業利潤環比增長734%的業績。”
三星電子曾表示生成式AI市場應用將帶來HBM等支援大規模資料處理的記憶體產品需求快速增長，公司接到了大量客戶需求。預計2024年HBM的需求可能出現陡峭增長。
美光表示，AI伺服器的DRAM容量是普通伺服器的6倍到8倍，NAND容量是普通伺服器的3倍。輝達DGX GH200所需的DRAM容量是普通伺服器的數百倍。
通用DRAM恐缺貨漲價
通用型DRAM記憶體晶片面臨的供應短缺，主要源於業界對HBM等類型的DRAM進行了大量的投資，而通用型DRAM的產能利用率相對較低。目前，三星和SK海力士的產能利用率僅為80%到90%，遠低於NAND快閃記憶體的全速生產狀態。
自2024年初以來，通用型DRAM的產能僅提升了大約10%，但智慧型手機、PC和伺服器市場的增長率預計僅為2%到3%。全球雲端運算和科技公司在AI基礎設施上的投資削減，並未能顯著推動DRAM需求的復甦。
然而，在同一時期內，企業級固態硬碟（eSSD）的需求卻因人工智慧的普及而激增。因此，三星、SK海力士等主要製造商在第二季度滿負荷運行其NAND生產線。此外，鎧俠也在市場條件改善後結束了減產，NAND產能利用率恢復至100%。
由於通用DRAM記憶體晶片在消費市場，如個人電腦和移動終端等領域發揮著巨大作用，而隨著市場需求的放大，可能會出現大範圍的短缺。根據摩根士丹利最新報告，全球記憶體市場在2025年將迎來一次前所未有的供需失衡，2025年HBM的供應不足率將達到-11%，而整個DRAM市場的供應不足率將高達-23%。
爭奪戰，不只是技術
儲存巨頭在HBM技術領域的爭奪戰日益激烈，從HBM1到HBM2、HBM3，再到最新的HBM3e，每一代技術的演進都標誌著儲存性能的顯著提升和市場競爭的加劇。
HBM1最早於2014年由AMD與SK海力士共同推出，作為GDDR競品，為4層die堆疊，提供128GB/s頻寬，4GB記憶體，顯著優於同期GDDR5。
HBM2於2016年發佈，2018年正式推出，為4層DRAMdie，現在多為8層die，提供256GB/s頻寬，2.4Gbps傳輸速度，和8GB記憶體。
HBM2E於2018年發佈，於2020年正式提出，在傳輸速度和記憶體等方面均有較大提升，提供3.6Gbps傳輸速度，和16GB記憶體。
HBM3於2020年發佈，2022年正式推出，堆疊層數及管理通道數均有增加，提供6.4Gbps傳輸速度，傳輸速度最高可達819GB/s，和16GB記憶體。
HBM3E由SK海力士發佈HBM3的增強版，提供高達8Gbps的傳輸速度，24GB容量，2024年開始大規模量產。
然而這不僅僅是一場單純的技術較量，更是一場激烈無比的產能競賽。
根據儲存三巨頭表示，今年的HBM供應能力已全部耗盡，明年的產能也已經大部分售罄。據專業機構分析，今明兩年HBM需求的動態缺口約為產能的5.5%和3.5%。因此，三大廠商紛紛開啟產能衝刺競賽。比如SK海力士正在大幅擴產第5代1b DRAM，以應對HBM與DDR5 DRAM的需求增加。按照晶圓投入量看，公司計畫將1b DRAM月產能從今年一季度的1萬片增加到年末的9萬片，到明年上半年進一步提升至14萬-15萬片，是今年一季度產能的14-15倍。三星3月底曾表示，預計今年HBM產能將增至去年的2.9倍。美光正在美國建設先進的HBM測試生產線，並考慮首次在馬來西亞生產HBM，以抓住AI熱潮帶來的更多需求。
02 相比GDDR，HBM強在哪兒？
根據產品分類，DRAM 可以分為 DDR、LPDDR、GDDR、HBM。前三類產品主要用於傳統週期領域，HBM 則主要是 AI 市場的帶動。其中 DDR 主要用於消費電子、伺服器、PC 領域；LPDDR主要用於移動裝置、手機及汽車領域；GDDR 主要用於圖像處理方面的 GPU 等。
隨著資料量越發龐大加上AI晶片的加速發展，馮氏計算架構問題凸顯：“存”“算”之間性能失配，使得電腦的計算能力增長遇到瓶頸，雖然多核平行加速技術可以提高算力，但儲存頻寬的限制仍對計算系統的算力提升產生了制約。GDDR是目前應用較為廣泛的視訊記憶體技術，但在AI計算領域GDDR也難堪重任，於是製造商將目光投向HBM技術。
HBM具備高頻寬的優勢。通過多層堆疊，HBM能達到更高的I/O數量，使得視訊記憶體位寬達到1024位，幾乎是GDDR的32倍，視訊記憶體頻寬顯著提升。視訊記憶體頻寬顯著提升解決了過去AI計算“記憶體牆”的問題，HBM逐步提高在中高端資料中心GPU中的滲透比率。
HBM具備高密度、小體積等優勢。相比傳統DRAM，HBM在相同的物理空間內能夠容納更多的儲存單元，從而提供更高的儲存容量。這對於儲存千億參數乃至更大規模的大模型至關重要。此外，HBM通過3D封裝工藝實現DRAM die的垂直方向堆疊封裝，可以較大程度節約儲存晶片在片上佔據的面積。HBM晶片的尺寸比傳統的DDR4晶片小20%，比GDDR5晶片節省了94%的表面積。根據三星電子的統計，3D TSV工藝較傳統POP封裝形式節省了35%的封裝尺寸。
受構造影響，GDDR的總頻寬上限低於HBM。總頻寬=I/O資料速率（Gb/s）*位寬/8。為解決DDR頻寬較低的問題，本質上需要對單I/O的資料速率和位寬（I/O數*單I/O位寬）進行提升，可分為GDDR單體式方案和HBM堆疊式方案。單體式GDDR採取大幅提升單I/O資料速率的手段來改善總頻寬，GDDR5和GDDR6的單I/O資料速率已達到7 Gb/s到16Gb/s，超過HBM3的6.4 Gb/s。HBM利用TSV技術提升I/O數和單I/O位寬，從而大幅提升位寬，雖然維持較低的單I/O資料速率，但總頻寬遠優於GDDR。
HBM的綜合功耗也低於GDDR。HBM通過增加I/O引腳數量來降低匯流排頻率，從而實現更低的功耗。儘管片上分佈的大量快取能提供足夠的計算頻寬，但由於儲存結構和工藝制約，片上快取佔用了大部分的晶片面積（通常為1/3至2/3），限制了算力提升。
如今，HBM已經成為超級電腦、資料中心等核心設施中不可或缺的關鍵元件，為大規模平行計算提供了堅實的記憶體基礎。尤其在圖形處理領域，HBM的高頻寬特性使得GPU能夠更快速地訪問和處理圖像資料，從而為使用者帶來更加流暢、逼真的視覺體驗。
即便是業界領先的輝達，也對這一產品展現出了高度的依賴性。據悉，輝達近幾年發佈的多款旗艦產品（如A100、H100、H200）均搭配了不同數量的HBM。HBM已然是輝達AI晶片的必備搭檔。然而全球約九成的HBM市場被SK海力士和三星兩家韓系企業壟斷。
03 2024年末，HBM是持續短缺？還是供過於求？
在儲存三巨頭的競爭中，由於海力士HBM3產品性能領先，率先拿下輝達訂單，成為其伺服器GPU的主要供應商。
三星主攻一些雲端客戶的訂單，美光則直接跳過了HBM3，將主要精力放在了HBM3E產品上。僅從當下來看，美光的市場佔有率和前面兩個玩家有一些差距。
但不管怎樣，三位儲存晶片的大佬都在擴產能上不留餘力。比如海力士已經放下豪言壯語，計畫到2028年投資高達748億美元，其中80%將用於HBM的研發和生產，而且將下一代HBM4晶片的量產時間提前到2025年。
據專業機構分析，今明兩年HBM需求的動態缺口約為產能的5.5%和3.5%。
不過根據海豚投研的資料顯示，HBM有望從2023年末的“供不應求”轉為2024年末的“供大於求”。
海豚投研比較了2023—2024年HBM的供需關係情況。 從需求端來看，結合雲服務廠商的資本開支和AI出貨量情況，市場對HBM的需求有望從2023年的284MGB提升至512MGB； 從供給端來看，結合儲存主流廠商的產能計畫，HBM的供給端更可能從2023年的147MGB快速提升至1000MGB以上。
在此供需關係中，2023年供給端僅能滿足需求的1/2，嚴重供不應求。供不應求的局面，推動各家廠商大幅提升產能計畫。如果產能規劃如實落地，2024年的HBM供需關係可能會出現明顯反轉，供給端反而會超出整體的市場需求。
對於HBM的價格，當前由於供給仍相對緊張，因此整體價格在2024年將有所上漲。但隨著三星產品通過認證和產能端的釋放，HBM的產品價格也可能出現回落。
04 國產廠商加速突破
隨著AIGC技術應用的快速發展，AI伺服器和高端GPU的需求持續增長，將進一步推動HBM市場的高速增長。據預計，到2025年，中國HBM的需求量規模有望超過100萬顆。
而中國，在這一賽道還屬於後來者。
不久前，國家積體電路產業投資基金三期橫空出世。大基金三期註冊資本高達3440億元，這一規模遠超前兩期基金，顯示出國家對積體電路產業的重視和大力支援。如此龐大的資金注入，無疑將為積體電路產業的發展提供強大的動力。
目前，大基金三期對外投資重點還未正式披露。據悉，大基金三期有望增加覆蓋人工智慧晶片環節，在HBM產業鏈扶持大型晶圓廠。
今年3月，武漢新芯發佈了《高頻寬儲存芯粒先進封裝技術研發和產線建設》招標項目，這一行動標誌著該公司正式進軍HBM市場。通過利用三維整合多晶圓堆疊技術，武漢新芯旨在打造更高容量、更大頻寬、更小功耗的儲存解決方案，以滿足市場對高性能儲存晶片的需求。面對海外大廠對於 HBM3E 的量產，國記憶體儲廠商也在 HBM 技術上進行著加速突破，有望在 AI 大浪潮的需求下提升競爭實力。
面對海外大廠對於 HBM3E 的量產，國記憶體儲廠商也在 HBM 技術上進行著加速突破，有望在 AI 大浪潮的需求下提升競爭實力。
封測龍頭長電科技在投資者互動中表示，其XDFOI高密度扇出封裝解決方案也同樣適用於HBM的Chip to Wafer 和Chip to Chip TSV堆疊應用；通富微電此前表示，南通通富工廠先進封裝生產線建成後，公司將成為國內最先進的2.5D/3D先進封裝研發及量產基地，實現國內在HBM（高頻寬記憶體）高性能封裝技術領域的突破，對於國家在積體電路封測領域具有重要意義。
中國主要的儲存晶片公司也在與封測廠商通富微電合作開展HBM相關項目。
然而總體來看，國內廠商在HBM技術上的發展仍處於早期階段。儘管國際上已經有了更先進的HBM3和HBM3E產品，但國記憶體儲廠商目前還處於HBM2的研發和產業化階段。
面對海外大廠在HBM3E等先進技術上的量產優勢，國內廠商仍需加快追趕步伐，克服技術壁壘，實現從技術跟隨到技術引領的轉變。在此過程中，客戶對於AI伺服器性能、記憶體頻寬及記憶體大小的持續高要求，既是對HBM技術的巨大挑戰，也是推動其不斷前行的動力源泉。
值得注意的是，儘管HBM在頻寬性能上佔據優勢地位，但其高昂的成本與功耗也促使行業探索更多元化的解決方案。GDDR、LPDDR等記憶體技術的快速發展，為AI處理器提供了更多選擇，尤其是在成本、性能與功耗之間尋求最佳平衡點的應用場景中。例如，GDDR7的推出不僅顯著提升了記憶體容量與資料傳輸率，還因其相對較低的複雜度成為部分AI應用的理想之選。
綜上所述，隨著AI技術的不斷演進與市場需求的日益多樣化，HBM作為高性能儲存技術的代表，將繼續在特定領域發揮關鍵作用。同時，國內廠商需緊抓機遇，加速技術創新與產業升級，以更加靈活多樣的記憶體解決方案，滿足AI時代對高性能計算的多元化需求。 (半導體產業縱橫)