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HBM已经摸到天花板?cHBM新解法来了

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内存不再被动配套,cHBM 要和计算芯片共生。

随着高性能计算(HPC)与人工智能(AI)任务的规模和复杂度持续提升,行业正来到关键转折点:系统架构需要具备更高的速度、带宽与能效,才能跟上数据处理和数据搬运需求的增长。这一挑战,也就是业内常说的“存储墙”,意味着行业需要更紧密、更先进的逻辑与存储一体化方案,才能释放下一代计算系统的全部潜力。

三星晶圆代工正推动这场技术变革,推出先进逻辑-存储集成方案,将高带宽内存与自身先进制程工艺相结合,赋予客户更高的架构灵活性,助力充分释放下一代AI与高性能计算负载的性能潜力。



图1:计算带宽与DRAM带宽增长对比。

AI与高性能计算系统需求持续演进

随着计算任务规模扩大、复杂度提升,系统需要在四大核心维度持续迭代:带宽、容量、延迟、功耗。这四项指标对于突破数据搬运瓶颈、保障加速器持续输出峰值性能至关重要。带宽方面,数据密集型应用需要大幅提升吞吐能力,跟上模型扩容与实时处理的需求。容量方面,即便存储密度不断提升,持续增大的模型与数据集,仍对系统级存储容量提出更高要求。延迟方面,实时、高性能应用,必须最小化计算-存储通路的延迟,维持高效处理流水线。功耗方面,AI任务能耗巨大,系统级能效是实现持续、可扩展算力的基础。

尽管存储技术仍在迭代,但AI与HPC系统复杂度快速上升,且这类负载以数据为核心,其需求早已超出传统架构的能力边界。这一现状,进一步催生对底层逻辑-存储协同设计的迫切需求。

HBM,引领高性能计算的未来

行业正在探索多种新技术方案,满足下一代AI与高性能计算负载需求,高带宽内存(HBM)凭借卓越的带宽、能效与容量,已成为核心基石技术。目前主流AI训练与推理加速器均已广泛采用HBM;而下一阶段创新的方向,是进一步深化逻辑与存储的集成。为实现性能再突破,在标准HBM基础上,融合晶圆代工逻辑基底裸片的方案正成为极具竞争力的路线,可为下一代系统带来更强架构灵活性、更高算力与更优能效。

定制化HBM芯粒(cHBM),下一代解决方案

定制化HBM(cHBM)继承传统HBM优势,依托堆叠架构与硅通孔(TSV)技术,实现带宽显著提升、延迟下降,这正是AI与HPC高性能数据处理所必需的能力。cHBM不再采用传统存储工艺制造基底裸片,改用晶圆代工先进逻辑制程,可直接在存储堆叠下方集成定制逻辑电路。该方案为性能优化、能效提升与架构创新打开全新空间。三星晶圆代工正在推进这项技术,随着逻辑存储集成在现代计算中愈发关键,帮助客户实现更高系统效率与架构灵活性。

cHBM做了多项架构优化,改善数据传输效率、系统能效与可扩展性。通过融合先进逻辑制程、高性能内存与下一代封装技术,cHBM可为AI、HPC场景打造更灵活、性能更强的解决方案。HBM控制器集成:将HBM控制器集成至基底裸片,简化数据通路,降低功耗与延迟,同时简化系统设计。高性能芯粒到芯粒(D2D)接口:D2D接口连接片上系统SoC与HBM芯粒,实现更快数据传输、更高带宽,缩减互连占用的边缘面积,提升系统集成效率。定制逻辑集成:可在逻辑基底裸片增加加速器、内存控制器等额外逻辑单元,芯片架构师可针对下一代AI与HPC负载定制性能。基底裸片采用先进逻辑制程:基底裸片选用先进逻辑节点而非传统存储工艺,获得更高性能、更低功耗与更小延迟。先进封装技术:前沿封装平台支持客户在垂直方向(堆叠层数)与水平方向(多芯粒集群)扩展存储带宽,搭建高度模块化、高带宽的系统架构。



图2:标准HBM框图与晶圆代工逻辑SoC基底裸片架构对比。

晶圆代工逻辑+HBM集成方案的优势

将先进代工逻辑与高带宽内存结合,能够在系统性能、能效与整体设计灵活性方面带来显著增益。该方案重新定义HBM基底裸片的作用,拉近计算单元与内存的交互,在增强技术能力的同时,为下一代AI与HPC平台提供更强可扩展性与长期优化潜力。

核心优势包括更高带宽与容量:晶圆代工逻辑基底裸片优化互连边缘布局,搭配高速D2D接口,相比传统基于HBM物理层(PHY)的方案,可以提升带宽,支持更多HBM堆叠。更低延迟:内存控制器集成在基底裸片,整套HBM子系统集中在单颗裸片内,减少外部布线,缩短计算与内存之间的传输延迟。更优能效:基底裸片从老旧存储工艺切换至先进逻辑制程,充分利用新一代工艺原生的功耗优势。创新与灵活度:定制化基底裸片设计,可集成加速器、内存控制器、CPU等附加逻辑,针对特定应用打造创新方案。

随着AI模型向万亿参数规模演进,行业面临一大核心难题:存储墙正在成为高性能计算与AI实际性能的根本性约束。基于芯粒的架构已经开始重塑算力边界;而在HBM上集成晶圆代工逻辑基底裸片,是计算-存储协同设计领域的又一重大进展。这套方案融合先进逻辑工艺、嵌入式D2D接口、片上集成HBM控制器,以及基底裸片可定制逻辑,能够在带宽、容量、性能、能效上实现大幅提升。

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