下一代HBM离不开台积电?

　　近期，台积电生态系统和联盟管理负责人Dan Kochpatcharin公开表示，台积电将与三星联手研发下一代HBM产品HBM4。这也是三星与台积电首次公开在HBM领域的合作。而HBM领域的另一位巨头SK海力士同样在此前发布公告称，将与台积电合作开发HBM4，预计在2026年投产。

      两大HBM供应商接连送上橄榄枝，台积电掌握了哪些“关键法宝”？迭代越来越快 技术越来越难HBM即高带宽存储，由多层DRAM Die垂直堆叠，每层Die通过硅通孔（TSV）技术实现与逻辑Die连接，使得8层、12层Die封装于小体积空间中，从而实现小尺存与高带宽、高传输速度的兼容，优秀的特性使其成为高性能AI服务器GPU显存的主流解决方案。当前，随着AI市场持续增长，AI服务器对于HBM的内存容量和传输带宽提出了更高要求，推动了HBM技术的迭代升级。

　　每一次技术的突破，都会让HBM在带宽、容量、能效、架构以及市场应用等方面取得显著提升，但所需的制造工艺也越来越复杂。

     HBM初代产品于2014年由AMD与SK海力士共同推出。作为GDDR产品的竞品，HBM采用了硅通孔（TSV）技术，实现4层die堆叠，可以提供128GB/s带宽和1GB内存，其当时的带宽就已经高于DDR4和GDDR5产品，同时以较小的外形尺寸消耗较低的功率，能更好地满足GPU等带宽需求较高的处理器。性能、尺寸和功耗上的种种优势，让HBM在业内崭露头角。第二代的HBM于2016年由后来者三星“越级”抢先发布。

　　作为旗下首款HBM产品，三星将每个HBM堆栈容量提升至8GB，使用硅通孔和微凸块(microbump)技术，可以提供256GB/s的带宽，是GDDR5产品带宽的七倍之多。SK海力士则是在2018年正式推出堆叠高度为4层和8层的HBM2，并且引入了伪通道模式，将一个通道分为两个独立的64位I/O子通道，从而降低延迟，提高带宽。HBM2的加强版HBM2E于2019年再次由三星抢先发布。据了解，这款HBM2E单颗最大容量为16GB，最高可提供3.2Gbps的数据传输速度。而SK海力士则于2020年率先批量生产HBM2E产品，性能比三星的产品更强，在容量同样达到16GB的同时，带宽达到了460GB/s。此外，SK海力士还首次采用了批量回流底部模制填充（MR-MUF）技术，提升了散热性能，使得这款产品的散热性能比上一代的HBM2高出36%。

       随后的HBM3和其强化版HBM3E都由SK海力士占据主导权，SK海力士的HBM3产品于2022年正式推出，其堆叠层数及管理通道数均有增加，可以提供6.4Gbps传输速度，带宽可达819GB/s，容量提升到24GB。而SK海力士最新的HBM3E产品将使用其1b纳米制造技术（10纳米级的DRAM节点）来生产，并将MR-MUF技术升级为先进MR-MUF4技术，数据传输速度有望提高到8.0GT/s，带宽提高到1TB/s，SK海力士计划今年实施量产HBM3E产品。制程和封装是两大“拦路虎”随着每一代产品在性能上的飞跃式提升，HBM对制程和封装技术的要求也更加严苛。TrendForce集邦咨询分析师许家源表示：“HBM1至HBM2e的堆栈层数仅为4层和8层，制程难度相对较低。但到了HBM3，堆栈层数增加至12层，制程难度大幅提升，HBM4更是要将堆栈层数增加至16层，复杂程度和制造难度都将进一步提升。”

     据了解，更先进的制程节点有助于提高HBM的能效比和性能。因此，从HBM1到HBM3E，所采用的制程节点从28纳米进化到10纳米。三星和SK海力士近期发布的信息显示，HBM4将采用5纳米甚至更小的工艺节点，进入先进制程范畴。SK海力士公布的HBM技术路线图（来源：SK海力士）先进封装技术也是同理。除了更先进的TSV技术，HBM还需要MR-MUF技术、混合键合等新一代封装技术加持。HBM4对先进制程和先进封装技术的需求，让如何保持高良率成为一个难题。在制造过程中，任何一层die出现问题，都可能导致整个堆叠失效。这一系列的难题让三星这个全球排名第二的代工厂商都感到棘手，联合先进制程的霸主台积电似乎成了唯一选择。台积电掌握核心技术台积电作为全球领先的半导体制造企业，可以说是当下先进的制程的天花板，并且良率较为稳定，可靠性和安全性在业内首屈一指，这都是研发HBM4的必备条件。   

      据了解，台积电计划在HBM4生产中采用N12FFC+和N5两种制程技术。N5是一种领先的5纳米制程技术，能够提供更小的晶体管尺寸，实现更高的性能和更低的能耗。这种先进的制程技术能够优化HBM4的逻辑芯片，提升整体的计算效率和能效比。在封装技术方面，半导体行业专家告诉记者，台积电拥有诸如InFO和CoWoS等先进封装解决方案，能够在芯片之间构建更快速的数据交换路径，有助于解决热管理和信号完整性问题。通过先进的封装技术，台积电能够为HBM4提供更大的带宽和更低的延迟。这些优势正是SK海力士所渴望的。SK海力士缺乏先进制程的制造能力，和三星又是HBM领域的直接竞争对手，再加上三星的先进制程良率一直是个大问题，双方合作的可能性很低。因此，SK海力士最好的选择就是尽快与台积电达成合作。于是，在今年4月，SK海力士宣布与台积电签署了一份谅解备忘录，双方将合作生产下一代HBM，并通过先进的封装技术提高逻辑和HBM的集成度。据了解，两家公司将首先对HBM封装内最底层的基础裸片进行性能改善。SK海力士以往的HBM产品都是基于公司自身制程制造基础裸片，但从HBM4产品开始计划采用台积电的先进逻辑工艺。

       若在基础裸片采用超细微工艺，可以增加更多的功能。SK海力士计划在2025年下半年推出12层DRAM堆叠的首批HBM4产品，于2026年推出16层堆叠的HBM4E产品，内存带宽将是HBM4的1.4倍。产品面市时间将与英伟达AI加速器发布周期保持一致。SK海力士封装开发副总裁李康旭在“2024异构集成全球峰会”上详细阐述了这一合作的重要性。他指出，通过将逻辑工艺应用于HBM4的基片，可以显著改善性能和能效。近期，英伟达、台积电和SK海力士又宣布组建“三角联盟”，面向AI需求共同推进HBM4等下一代技术。可以看出，SK海力士想与台积电进行深度绑定。据了解，SK海力士和台积电决定在原计划的12纳米制程基础上，增加5纳米制程来生产HBM4。   

        在封装技术方面，SK海力士表示，SK海力士独有的先进MR-MUF技术以及混合键合等新一代封装技术，将与台积电独有的CoWoS技术相融合，这对于下一代HBM的发展至关重要。而三星最初的想法是继续押注自家的4纳米制程。三星一位高管表示：“我们与台积电和SK海力士不同，我们的芯片设计人员直接参与HBM4生产，这是我们的独特优势。”目前，三星已在其设备解决方案部门新设“HBM开发组”，专注于推进HBM4技术。此外，三星先进封装团队高管Dae Woo Kim在2024年度韩国微电子与封装学会年会上表示，三星成功制造了基于混合键合技术的16层堆叠HBM3内存，该内存样品工作正常，未来16层堆叠混合键合技术将用于HBM4内存量产。相较现有键合工艺，混合键合无需在DRAM内存层间添加凸块，而是将上下两层直接铜对铜连接，可显著提高信号传输速率，更适合AI计算对高带宽的需求，还可降低DRAM层间距，减少HBM模块整体高度。

      但三星近期宣布将与台积电合作研发HBM4，这一“打脸”举动，也侧面反映出三星自身的先进制程和封装技术尚不足以支撑其HBM4研发。专家告诉记者，三星与台积电将共同开发一种特殊版本的无缓冲HBM4，技术路线与SK海力士的HBM4并不相同，这款产品取消了用于分配电压和防止电气问题的缓冲器，预计能提高40%的功率效率，并减少10%的延迟。三星计划在年底前完成HBM4的流片，为2025年底的大规模生产奠定基础。