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还没用上HBM2E?HBM3要来了

来源:电子发烧友网 ? 作者:Felix 2021年08月23日 10:03 ? 次阅读
2020年2月,固态存储协会(JEDEC)对外发布了第三版HBM2存储标准JESD235C,随后三星和SK海力士等厂商将其命名为HBM2E。
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相较于第一版(JESD235A)HBM2引脚的2Gbps,HBM2E将这一速度提升到了3.2Gbps,并且单堆栈12 Die能够达到24GB的容量,理论最大带宽410GB/s。同时,按照设计规范,对于支持四堆栈的图形芯片来说,总带宽高达1.64TB/s。
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过往,三星和SK海力士在HBM内存领域占据领先地位。目前,各大内存厂商在HBM2E层面已经开始铺货。就以SK海力士的节点来看,2020年7月2日,SK海力士才对外宣布开始量产超高速DRAM HBM2E,这是一款具有 460GB/s 带宽的高带宽内存来自使用硅通孔 (TSV) 的垂直堆叠 DRAM 芯片,针对深度学习加速器和 AI 系统优化,面向服务器、物联网、消费电子和汽车领域。
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从时间上来看,外界公布HBM2E的时间节点是2020年2月,SK海力士的量产时间是7月份,而三星就更快了,同样是在2月份就已经对外发布首款HBM2E显存。
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虽然HBM2E的标准参数很出色,但现在不得不说它已经过时了,现在HBM3的PHY、控制器和子系统方案已经面世。目前在JEDEC官网,JESD235D标准已经开始对会员企业免费开放。当然,该协议也支持开放购买,售价是274美元。
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现在你不需要为获取HBM3参数去花费这些钱,和过往一样,参与制定标准的这些内存厂商已经迫不及待地对外公开HBM3的性能参数了。根据SK海力士在6月份公开的细节来看,过渡版的“HBM3”标准有望实现 5.2 Gbps的引脚传输速率,较现有的HBM2E提升44%,从而大幅提升整体的内存带宽。
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但从Rambus公司目前实现的方案来看,SK海力士显然过于保守了,当然就如同上面提到的,SK公开的这个是一个过渡标准,并不是真正的HBM3,而Rambus选择一步到位实现HBM3。
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8月17日,Rambus推出了其HBM3内存子系统解决方案,速率高达8.4 Gbps,单颗带宽达到了1.075TB/s。这个数据有多恐怖呢?我们参考一下上一代的HBM2E,在标准协议中,JEDEC的定义是引脚速度为3.2Gbps,单核带宽为410GB/s。在实际的实现过程中,不管是Rambus还是SK海力士,最终实现的方案都达到了3.6Gbps,单核带宽达到了460GB/s。
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Rambus HBM2E子系统方案
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因此,在HBM3方面,目前Rambus的方案在引脚速度和单核带宽上面,都实现了翻倍,这是此前产业界一直以来都觉得实现起来“太难了”的事情。
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Rambus HBM3子系统方案
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通过上面两个方案的对比,我们看到HBM2E和HBM3有一个明显的区别,那就是通道数,HBM3子系统方案具有 16 个独立通道,每个通道包含 64 位,总数据宽度为 1024 位。在最大数据速率下,这提供了 1075.2 GB/s 的总接口带宽,能够以更高的每瓦带宽效率为 AI/ML 和高性能计算 (HPC) 应用提供更高的整体吞吐量。
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实际上,熟悉内存标准进程的人都很清楚,HBM3并不是这两年提出来的新鲜事物,早在2016年SK海力士、美光、三星等公司就讨论过HBM3标准。2015年,AMD推出全球第一款采用HBM高带宽显存的显卡之后,512GB/s的高带宽让业界为之震撼。此后不久,各个内存厂商就对HBM内存的演进路线做了规划,并提出了HBM3,甚至是HBM4。
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通过AMD的技术方案能够总结出,HBM内存方案共有以下几点优势:功耗低、效率高,外形小巧。
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在HBM面世之前,高性能内存更多是采用GDDR方案。直到AMD推出了HBM内存,GDDR5已经统治行业达7年之久,然而即便是GDDR方案,在带宽上也已经开始跟不上GPU的发展速度,成为系统性能提升的瓶颈。AMD在当时就曾提到,GDDR5如果要增加1 GB 的带宽将会带来更多的功耗,这不论对于设计人员还是消费者来说都不是一个明智、高效或合算的选择。而HBM就像封装在和芯片集成的 RAM 一样,和GPU中介层紧凑而快速地连接,当时的HBM方案每瓦带宽比 GDDR5 高出 3 倍还多。
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同时,从当时AMD揭露出的示意图能够看到,2.5D封装的方式让整体方案更小巧,当时的HBM 比 GDDR5 节省了 94% 的表面积。
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图源:AMD官网
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下图是AMD当年实现的方案,能够看到第一代HBM显存方案中,每一颗都采用四层Die进行堆叠,每个Die的容量为2Gb(256MB),单颗容量为1GB,那么4颗堆叠的容量就是4GB。
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图源:AMD官网
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很显然,随着各种智能应用逐渐发展,4GB这个容量对于数据中心、高端显示和大型游戏等应用是完全不够,AMD在当时也确认了,HBM的内存容量会像带宽提升一样困难。不过容量问题没有束缚住HBM的发展,我们看到在美光的实现方案中,HBM2E内存八堆栈单Die容量16Gb,单颗HBM2E内存能够达到16GB的容量,4颗组合的话可以实现64GB。
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说回到HBM3内存,Rambus现在已经处于领先位置,虽然目前JEDEC还没有对外公开HBM3的标准。
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这里不得不说一个“但是”。但是,这并不能意味着HBM3将广泛占领显存市场。从市场情况来看,HBM还是主打高端市场,在HBM2阶段,Tesla V100 PCIe GPU采用的是16GB的HBM2内存,显存带宽高达 900 GB/s。而能够看到,诸如基于Turing架构搭载的TITAN RTX也还在使用GDDR6显存,容量为24GB,而GeForce RTX 30 系列 GPU全系列都是GDDR6显存。相对而言,AMD对于HBM内存的使用更为广泛,Radeon Pro Vega II 显卡搭载了32GB HBM2 显存,在InsTInct 服务器解决方案同样采用了32GB的HBM2内存。但从“Pro”和“服务器”这样的标注来看,其主要还是面向高端应用,而在普通Radeon显卡方面还是以GDDR6为主。
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其实,原因已经很明显了,虽然GDDR6单引脚的速度更快,但引脚数量太少了,因此HBM在系统带宽方面有着独特的优势,同时GDDR6的PHY面积更大(1.5倍左右),功耗也更高(4倍左右),也就是说GDDR5身上的劣势在GDDR6这里并没有改变。但优势也依然存在——GDDR6便宜,这个便宜不仅体现在单颗芯片价值上,同时在设计复杂度上也更低。因此,虽然HBM3来了,但依然只会面向高端市场。

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