欢迎光临
芯榜一直在努力

【布局】从中外工艺制程差距,看高云半导体的全球化布局;透过“能耗双控”主旋律,看国民技术的产业布局;车规级IGBT开启国产化放量时代

1.从中外工艺制程差距,看高云半导体的全球化布局

2.透过“能耗双控”主旋律,看国民技术的产业布局

3.芯榜咨询:造车新势力尝鲜,车规级IGBT开启国产化放量时代

4.【芯视野】突破带宽极限 HBM成为竞逐高性能市场的内存黑马

5.东芯半导体六大产品线集中亮相,把握全球产能紧缺下的“芯”机遇

6.武汉新芯推出超小尺寸低功耗SPI NOR Flash产品XNOR™——XM25LU128C

1.从中外工艺制程差距,看高云半导体的全球化布局

芯榜网报道,凭借“可编程性”和可反复改写的“灵活性”等特性,全球FPGA产业在2000年后有了大幅成长,且近几年在5G通信、人工智能等领域也大放异彩。

随着5G、AI等技术的提升,全球FPGA市场规模稳步增长, Frost&Sullivan预计全球FPGA市场规模将从2021年的68.6亿美元增长至2025年的125.8亿美元,年均复合增长率约为16.4%。2020年,全球FPGA的年销售额已超过60亿美元,预计到2025年,全球FPGA市场将超过120亿美元。

2021年9月27-29日,拥有完全自主知识产权的国产FPGA厂商高云半导体,携手10+代理方案商亮相深圳国际电子展(ELEXCON),在深圳国际会展中心展示了3大量产家族、10余个子系列FPGA解决方案。在此次展出的产品中,公司超小封装FPGA芯片最小支持1.8mm X 1.8mm;大封装FPGA芯片最多支持55K逻辑资源、676管脚。

纵观FPGA整个产业链,国内产业链相对国外较为薄弱,高云半导体市场部认为,主要原因在于国内是围绕“点”上的创新,也就是说,尽管国内的局部技术表现较佳,但并没有覆盖至整个产业链,而这也是国内行业的一大特点。不过随着技术的提升和人才的扩充,预计到2022年至2023年,整个国产FPGA将有极大变局。

加速布局新兴领域

高云半导体成立于2014年1月,总部位于广州,注册资本9218万元人民币,总投资约5亿元,是一家完全自主可控的国产FPGA设计公司,致力于提供FPGA芯片、软件、IP、参考设计、开发板以及FPGA整体解决方案。

经过多年发展,高云半导体已在10+行业大规模量产,成熟整体解决方案达15个以上,量产项目500+,正在进行中的项目900+,累计客户愈1000位。

目前,高云半导体已量产FPGA产品主要有三大家族。一是晨熙家族,主要面向中高端FPGA市场;二是小蜜蜂家族,主要面向低密度FPGA市场;三是GoBridge家族,主要提供灵活的接口扩展。公司产品广泛应用于金融、工业、电力、安防、服务器及PC领域,同时积极拓展新兴市场,在智能汽车、AIoT、5G等领域加速布局。

本次展会,高云半导体展示了其FPGA生态中的多套解决方案。

汽车电子

FPGA芯片具有灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势,应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。

据介绍,高云半导体的汽车类产品应用于汽车中控屏当中,主要包括高云GW2A-18QN88、GW1N-4QN48、GW1N-4QN88三颗芯片,集中用于多媒体、商用乘车、车载系统等领域。

作为第一家发布国产车规级FPGA的原厂,得益于芯片出色的性能表现和强大的技术支持,高云半导体产品已经被国内多家知名车厂及方案商采用并大规模量产。

高云半导体市场部表示:“高云半导体是国内第一家大规模出货车规FPGA芯片的原厂,公司的车规方案目前已在市场上数十款汽车上使用,至今已远超100万片的出货量。”

工业领域

在工业领域,高云半导体也拥有多套工业解决方案,涵盖工业控制、电流环FOC、IES工业以太网及powerlink解决方案,已在多家知名客户中使用并陆续量产。

其中,FOC解决方案提供高效的FOC算法,亦可提供M1软核,客户可根据需求灵活配置,选择适合的方案和FPGA器件。工业PLC方案提供多款工业市场主流型号的Pin2Pin替换型号,可加快客户项目开发进度,缩短开发周期,其中高云小蜜蜂家族多款产品已实现在PLC产品的量产。

Gobridge家族:转接芯片

据悉,今年6月,高云半导体推出了Gobridge ASSP产品线,支持全速USB设备接口,兼容USB V1.1协议,全内置USB协议处理,无需外部编程,支持USB to JTAG/SPI/I2C,以及USB转UART。 

在发布的高度集成、低功耗、单芯片USB总线转接芯片GWU2X和GWU2U上,GWU2X通过USB总线提供4种扩展接口:SPI、I2C、JTAG和GPIO;GWU2U提供USB总线转串行UART总线功能。

工艺制程相差2-3代

目前,全球FPGA市场呈现寡头垄断格局,2019年,87%市场份额被赛灵思与英特尔(2015年收购Altera)占据,分别以52%和35%的占有率居于第一和第二;而Lattice与MicroChip(2018年收购Microsemi)分别位列第三和第四,各占有5%的市场份额,上述四家企业合计占有全球FPGA市场份额的97%以上。

尽管FPGA市场被国外企业高度垄断,但中国FPGA的市场规模及前景却不容忽视。

根据Frost&Sullivan数据,中国FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至2020年的约150.3亿元,年均复合增长率约为23.1%。随着国产替代进程的进一步加速,中国FPGA市场需求量有望持续扩大。根据Frost&Sullivan数据,预计到2025年,中国FPGA市场规模将达到约332.2亿元。

虽然我国FPGA的市场需求呈现出欣欣向荣的景象,但国产FPGA厂商仍在生态系统、专利技术、研发人才、研制难度等方面面临较大挑战。

同时,在中美贸易摩擦的影响下,国产化替代需求强劲,但由于起步时间较晚,FPGA产品技术壁垒较高,产品迭代优化均需要长期积累,在高端器件产品方面,国产FPGA仍然需要较长时间积累方能有所突破。

由于FPGA属于逻辑芯片,技术门槛非常高,从产品研发设计、样片、试产(小批量),到最终量产,正常周期在两年左右。从研发来看,高云半导体的研发团队有200余人,占比70%以上。

高云半导体认为,对于FPGA原厂来说,主要是解决EDA工具和芯片两方面的问题,二者比重基本上是5:5,甚至超过6:4。除此之外,软件开发的难度也颇高,所以每个FPGA原厂都在做大量软件的投入工作。此外,受限于较高的技术门槛,尽管国内MCU厂家有上万家,而FPGA原厂却不到十家。纵观全球,中国更是除美国之外,唯一能够生产FPGA的国家。

简言之,中外厂商差距可谓是技术和整个产业链的差距。具体从技术来讲,主要是人才的稀缺。“去年国内芯片厂商给应届生的月薪大致是12k-20k之间,今年很多能达到20k-40k,但这样还招不到人。” 高云半导体市场部表示,一方面,微电子专业学生毕业后多选择从事芯片设计,互联网、嵌入式等工作;另一方面,从学校来说,除几个名校之外,国内高校能够培养出相关人才的能力很少,每年培养出的专业人才远远赶不上芯片厂商急速扩张的速度。

从整个产业链来说,国内产业链相对国外较为薄弱,主要原因在于国内是围绕“点”上的创新,也就是说,尽管国内的局部技术表现较佳,但并没有覆盖至整个产业链,而这也是国内行业的一大特点。

具体到工艺节点上,目前国内大部分出货都集中在40nm、55nm工艺,但是国外最赚钱的仍是28nm工艺结点,中大规模器件,国内外的工艺差距至少有2-3代。不过高云半导体市场部预计,随着技术的提升和人才的扩充,2022年至2023年,整个国产FPGA将在28nm工艺结点有着较大的竞争。

除了芯片上的工艺差距,目前国内FPGA原厂大规模EDA工具集中于100k逻辑规模,一旦超过350k,EDA的算法复杂度将呈指数型增长,而这对每家原厂来说都是较大的挑战。

基于此,高云半导体始终将自身定位于一家全球化布局的厂商,2017年起,公司就开始全球化布局,包括研发、市场营销网络等方面均走在国内厂商前列。次年开始组建亚太区销售网络,2019年开始组建北美和泛欧区销售网络,经过3-4年的布局,公司今年在国外市场的大客户拥有了指数级增长。

“最终,国内大部分市场,不仅仅是芯片行业,还有设备类企业也将逐渐被国产替代。正因如此,国产芯片的确正迎来百年一遇的机会。” 高云半导体市场部指出。

2.透过“能耗双控”主旋律,看国民技术的产业布局

芯榜网消息 近两年,全球各个国家及地区对于环境保护的重视到达了前所未有的程度。为了更加合理且高效的进行资源配置,我国相关政策也在今年下半年显著加码,由此引发多个省市及地区都致力于更大程度的实现“能耗双控”的目标。

由此可见,未来5年内“能源”都将成为我国各行各业发展过程中绕不开的重心。

9月28日,芯榜网前往国民技术股份有限公司(下称“国民技术”)位于深圳国际电子展7号展馆的7J08号展台参观时发现,该公司产品已经成熟运用于许多能源相关领域。

国民技术总经理助理牟鑫慧向笔者介绍到,公司芯片在光伏逆变、储能、电池保护板、新能源汽车充电桩等多类能源相关的产品中都有应用。他表示:“随着碳中和的概念逐渐向各行各业渗透,我相信MCU在储能、光伏这些行业都会有大规模的应用。目前公司能源相关产品已经广泛用于汽车、工业、消费等领域,面向的客户群体都以行业头部厂商为主。”

在汽车电子领域;随着新能源汽车市场体量快速扩大,对芯片的需求也大面积爆发,导致全球汽车芯片短缺的问题一直无解。得益于前期的积极布局,国民技术的产品已经获得车规级认证,不论是在前装还是后装市场,都实现了批量应用。

牟鑫慧告诉芯榜网:“我们的芯片目前在汽车领域应用包括车身控制、灯光系统、电动升舱器、驾驶座舱、尾门等等多个环节,能够给客户提供的选择也很丰富,所以跟我们达成合作的厂家数量也很多。”

在消费电子领域;虽然整个手机市场的表现不算乐观,但在一些新型应用场景的需求却呈现出截然不同的局面。

据牟鑫慧透露:“国民技术的产品在消费市场应用包括TWS耳机、航模、3D人脸模组、自拍云台等多个场景,有许多款MCU产品都得到了终端厂商的青睐;另外从市场反馈的需求来看,今年整体供需还是比较紧张的状况,并且我们认为这样的状况还会持续一段时间。”

在医疗电子领域;众所周知,自疫情发生以来,除了对测温类产品需求的提振,也让大健康的概念进一步渗透到用户的生活当中。笔者了解到,国民技术相关产品今年在医疗市场的表现也十分亮眼。

据牟鑫慧介绍,医疗领域其实是公司布局的重点之一,这也是基于公司希望能够为民生做一些贡献的理念。从市场需求来看,首先就是疫情带动的测温类产品销量比较可观,其次就是像血压仪、血氧仪类的产品需求量也很大。不仅如此,国民技术的产品还运用在例如:监护仪、血液透析等等这类高端医疗仪器上。他谈到:“无论是射频芯片、还是安全芯片或是MCU,我们的产品已应用到临床和个人医疗保健应用,我们希望在医疗领域能够服务于更多的客户,也能帮助到更多有需要的人。”

值得提出的,医疗电子行业与许多行业的标准不同,对于芯片的验证十分严谨,在谈及公司如何获得认可时,牟鑫慧表示:“在国民技术成立20余年时间里,服务的客户包括许多世界五百强企业,在我们芯片‘四高一低’的特性中,就包括高可靠性。这也让我们的芯片在医疗领域能够通过了客户严苛的测试,也拿到了海外、国内的一些认证。”事实上,我国医疗电子市场在大健康概念普及推动下得以快速发展,无疑也给国产芯片厂创造了机会,成为优质国产厂商展现实力的最佳平台。

而国民技术之所以能够在上述多个领域具备竞争力,得益于其产品“四高一低”的特性。

牟鑫慧指出:“首先基于先进工艺和强大设计团队,我们能在同等预算下实现最高的效率,这是产品特性之一高性能的体现;其次是高可靠性,公司的芯片都是工业级别,且都通过了国内多家头部客户认证;而后是高集成度,我们的芯片采用业界最先进的工艺制程,能大幅节约用户的成本;第四就是高安全性,这其实是我们希望给客户带来更高的附加值,在芯片内部形成一些硬件的防护。最后就是与‘能源’紧密挂钩的低功耗这项特性,目前我们低功耗场景相关的合作客户中,有诸多世界五百强以及上市企业,包许多工业、能源、医疗领域的龙头企业,我认为这是行业对我们的认可。由此也可以反映,国民技术的产品在低功耗方面已经达到行业一流的水准。”

牟鑫慧向芯榜网介绍公司整体产业布局时谈到:“作为一家成立20余年的芯片设计公司,国民技术有强大的研发团队,由此延伸出三大产品线:安全、MCU、无线射频。这三条产品线目前已在电机控制、工业应用、能源管理、汽车电子、电动车、智慧家居、消费电子、物联网等领域得到了规模应用。

他表示,在本届展会大家看到我们展台上展出的200余件应用,有80%以上其实都是MCU的产品,“宽产品线,广应用”国民技术最大的亮点之一。在之后阶段,我们还将会推出基于Arm Cortex M7内核,把产品线向一些更高性能的领域拓展,在实现全场景覆盖的同时,也能够给为客户提供更多元的选择。

3.芯榜咨询:造车新势力尝鲜,车规级IGBT开启国产化放量时代

芯榜咨询(JW insights)分析认为:

–  我国新能源汽车产销量连续六年位列世界第一,预计2025年新能源汽车的渗透率将提高到36%左右。

–  汽车电动化过程中,IGBT已成为主要增量器件,占新增半导体器件比重超过80%,这为本土IGBT企业预留了巨大的国产替代空间。

– 包含比亚迪、斯达半导、中车时代在内的3大本土车规级IGBT企业扩产计划显现,其他本土企业如士兰微、华润微、华大半导体、赛晶科技等拓展布局,加上更多的本土主机厂支持,车规级IGBT国产替代正当时。

汽车加速电动化带来的结果是,加大了对半导体器件的用量需求,作为汽车中除电池外成本最高的元件,IGBT的用量将会大幅上升。而目前,国内仅比亚迪一家车企实现了IGBT的自我供给,其他主机厂均严重依赖于国际传统IGBT大厂。借助汽车电动化的产业变革,在核心器件自主可控的大背景下,国内IGBT企业纷纷发力,尤其是在比亚迪半导体、中车时代、斯达半导等本土龙头企业的引领下,加速了车规级IGBT的国产化进程。

汽车电动化加速,车规级IGBT迎国产替代新机遇

今年上半年全球新能源汽车销售量总计为260万辆,比2020年上半年增长160%;国内市场方面,今年1-6月我国新能源汽车产销量分别为121.5万辆、120.6万辆,已与2020年全年产销量持平,连续六年位居全球第一。

与此同时,我国新能源汽车渗透率已从去年底的7.7%提升至今年7月的14.8%以上。芯榜咨询(JW insights)预测,2021年中国新能源汽车销量预计将达到250万辆左右,2025年预计将达到800万辆左右,新能源汽车的渗透率将会进一步提高到36%左右。

而新能源汽车的快速发展,将会加速半导体器件的使用量。公开资料显示,新能源汽车对半导体的单车使用价值量已从传统燃油车的约375美元提升至最高超过750美元,据Gartner预测,到2024年无人驾驶汽车单车半导体价值量将超过1000美元,而全球的汽车半导体企业将因此受益。

全球25家头部汽车半导体企业2020年营收排名(数据来源:Gartner)

需重点提及的是,在增加的半导体中,功率器件价值量占比超过80%。其中,被誉为新能源汽车“CPU”的IGBT成为主要增量产品,该类器件主要应用于新能源汽车电机驱动控制系统、热管理系统、电源系统、PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等子系统中,对汽车加速能力、最高时速、能源效率等性能起关键作用。

而且,不同级别电动汽车,其单车IGBT价值量有所不同,其中A00级车的IGBT模块价值为800-1000元,A级车约为1500元,混动汽车约为2000元,且汽车电动化程度越高,使用的功率器件价值量越高;特斯拉单车IGBT模块用量为96个,价值量约为400美元。单辆汽车不同电机数量对IGBT的用量也不一样,其中,单电机纯电动车IGBT模块价值量在1000元左右,双电机的纯电动车IGBT模块价值量在2000元左右。

随着新能源汽车渗透率的不断提升,未来有望在2024年超过工业控制成为IGBT最大的下游应用领域。Omdia预测,这一市场规模将从2019年的2.8亿美元增长到2024年的8.8亿美元,年复合增长率将达到25.74%,远超行业平均增速。

只是,国内可供应车规级IGBT的本土企业不多,大部分市场份额仍由传统IGBT厂商所把控。2019年,我国新能源汽车IGBT供应商主要为英飞凌,占国内市场份额接近6成;其次为比亚迪半导体,其市场份额约为18%,第三到第九名分别为三菱电机(5.2%)、赛米控(3%)、斯达半导(1.6%)、电装(1.3%)、法雷奥(0.9%)、德尔福(0.8%)、中车时代(0.3%)。

其中,比亚迪半导体不仅是本土最大的车规级IGBT供应商,也是全球仅次于英飞凌的第二大车规级IGBT供应商,但是,比亚迪半导体目前所生产的器件产品,以自供为主,待比亚迪半导体分拆上市后,有望加大对外供应量。

另两家本土企业斯达半导和中车时代,2019年车规级IGBT国内市场份额合计仅为1.9%。可以说,不计算比亚迪产量的话,国内的车规级IGBT市场仍为国际供应商所垄断,这给本土企业预留了充足的国产替代空间。

比亚迪引领,本土企业吹响车规级IGBT国产化号角

汽车电动化给予IGBT的发展机遇显而易见,国内企业希望借助市场新风向,在IGBT领域实现突破,并获得更大的市场份额。自进入2021年以来,本土企业在车规级IGBT领域的布局开始显现出来。

首先是本土龙头企业比亚迪半导体。在技术方面,其已掌握车规级IGBT芯片和FRD芯片设计及工艺、车规级功率模组设计及封装等核心技术,降低了饱和电压和开关损耗,提高了功率器件可靠性,实现了更低的饱和电压和开关损耗。2018年-2020年,其第一大客户始终是比亚迪集团,贡献其总营收比重约为60%,主要供应产品为IGBT。

此前,由于其产品与国际大厂存在差距,只有蓝海华腾有少量采购。不过,经过多年技术积累,目前这一状况正在改变,比亚迪IGBT部分性能已经可以比肩国际大厂产品性能,如其IGBT芯片的开通损耗优于国际主流厂商,关断损耗与国际主流厂商相近,产品具备低损耗、高效率等特征;车规级IGBT模块的开关损耗、反向恢复损耗优于国际主流厂商,可承受短路时间与国际主流厂商相近,产品具备高功率密度、低损耗、高可靠性等特征。目前,比亚迪半导体正计划募资31.1亿元用于扩建功率器件项目,以加对外供应量。

其次是斯达半导,其自主研发的第二代芯片(国际第六代芯片FS-Trench)已实现量产,打破了国际大厂对IGBT芯片的垄断。6月24日,斯达半导与华虹半导体正式就“华虹半导体车规级IGBT暨12英寸IGBT规模量产仪式”项目签约,继续加大“8英寸+12英寸”IGBT芯片制造的合作深度。

最新数据显示,今年上半年,斯达半导车规级IGBT模块合计配套超过20万辆新能源汽车,预计下半年配套数量将进一步增加;其第六代1200V IGBT芯片在12寸产线实现大批量生产;第七代车规级650V/750V IGBT芯片也已研发成功,预计2022年开始批量供货。

同时,斯达半导第六代650V/750V IGBT芯片新增多个双电控混动以及纯电动车型的主电机控制器平台定点,将对其2023年-2029年在新能源汽车领域IGBT模块销售增长提供持续推动力。

第三是中车时代,其中车株洲所汽车及工业用新一代功率半导体项目已于去年9月投产,根据规划,该项目达产后每年将新增24万片中低压IGBT产能,预计可满足240万台新能源汽车的需求。

在此基础上,中车时代计划再投入超过5亿元建设低压逆导IGBT设计及工艺技术平台,完成750V精细沟槽逆导IGBT产品定型与小批量应用,重点攻克功率半导体应用及定制封装技术、扁线/油冷电机集成应用技术、电机电控减速器的系统深度集成技术等,并加强环境适应性、可靠性、安全性、集成化技术、批量测试评价技术的研究。中车时代有望通过该项目的实施掌握一套完整的汽车级逆导IGBT芯片产品的技术。

今年7月7日,东风公司与中国中车合资设立的智新半导体IGBT模块正式投产,据悉,项目总规划产能120万只,满足东风集团新能源汽车到2025年100万销量的IGBT需求;其中一期将实现每年30万只全轿车规级模块的封装能力。

随着技术的不断成熟,中车时代车规级IGBT不断得到造车新势力的导入。从今年5月开始,因英飞凌IGBT产品供应不上,理想汽车开始选择导入中车时代IGBT,未来数月,理想汽车对英飞凌IGBT的依赖比重将逐渐下调至50%以下。同时,小鹏汽车也在导入中车时代的IGBT产品。

事实上,目前本土IGBT企业中,已能推出车规级IGBT芯片或器件的企业还不止这三家,如士兰微,其电动汽车主电机驱动模块已通过多家客户测试,并在部分客户批量供货,供应车型包括A00和A型车,对应的两款IGBT模块价格分别为600-700元、1300-1500元,已分别获得零跑汽车、极氪汽车定点。

其他企业中,华润微在汽车领域,也有适用于汽车电子的产品供选用;华大半导体首款车规级16pin隔离型IGBT栅极驱动芯片已于2020年7月成功推出;华微电子的IGBT产品也已开始应用到新能源汽车上;赛晶科技首条IGBT生产线的竣工投产,宣告所研制的1200V国产IGBT芯片及模块产品将放量;刚上市的宏微科技,研发的IGBT DCDC电源模块则已在电动大巴上得到规模应用。此外,扬杰科技、新洁能、芯派科技、威海新佳、芯聚能半导体等企业也在车规级IGBT领域制定有相关规划与布局。

可以预见,借助中国这一全球最大的汽车消费市场,以及全球最活跃的汽车创业企业,功率半导体已成为国内企业在汽车领域突破最快的一个环节,芯榜咨询认为,随着中国对汽车半导体领域的持续投入,未来有望培育出本土的世界级汽车半导体公司。(校对/萨米)

4.【芯视野】突破带宽极限 HBM成为竞逐高性能市场的内存黑马

当代电子计算体系的表现完全依赖于处理器和内存的相互配合,根据冯诺伊曼的设想,两者之间的速度应该非常接近,但摩尔定律让这一美好设想落了空。处理器的性能按照摩尔定律规划的路线不断飙升,内存所使用的DRAM却从工艺演进中获益很少,性能提升速度远慢于处理器速度,造成了DRAM的性能成为制约计算机性能的一个重要瓶颈,即所谓的“内存墙”。

在AI芯片大幅兴起的时代,对内存的要求更是有增无减,业界为了打破内存墙而设计了多种方案,HBM(高带宽存储器 High Bandwidth Memory)就是其中的一种。这种新型的内存方案具备高带宽、低功耗的特点,已逐渐在竞争中脱颖而出,成为AI芯片的重要之选。同时,随着工艺的不断提升,5G等应用也在对其敞开大门。

突破带宽极限

在AI应用当中,内存和I/O带宽是影响系统性能至关重要的因素。如果内存性能跟不上,对指令和数据的搬运(写入和读出)的时间将是处理器运算所消耗时间的几十倍乃至几百倍。换而言之,很多AI芯片所描述的实际算力会因为存储器的因素降低50%甚至90%。

解决这个问题的根本就是采用新型的内存方案,最有代表性的就是GDDR和HBM。GDDR发展自DDR,采用传统的方法将标准PCB和测试的DRAMs与SoC连接在一起,具有较高的带宽和较好的能耗效率,其缺点在于更难保证信号完整性和电源完整性。

HBM同样也基于DRAM技术,使用TSV(硅过孔)技术将数个DRAM芯片堆叠起来,并通过贯通所有芯片层的柱状通道传输信号、指令和电流。

凭借TSV方式,HBM大幅提高了容量和数据传输速率,与传统内存技术相比,HBM具有更高带宽、更多I/O数量、更低功耗、更小尺寸,可应用于高性能计算(HPC)、超级计算机、大型数据中心、AI、云计算等领域。

“HBM的传输速率会容易提升,原因在于采用2.5D的封装,整个信号完整性要比 DDR要更容易实现。”业内资深人士白文杰(化名)这样评价。

图 HBM与其他几种内存方案的参数对比

高带宽是HBM最大的优势,Rambus公司最新发布的HBM3 Ready,已经将数据传输速率提升到8.4Gbps/pin,带宽超过1TB/s,采用标准的16通道设置,可以达到1024位宽接口。与之相对,最新的DDR5也只有64位宽接口,GDDR6只有32位宽接口。

不只是AI芯片,GPU和FPGA等需要高带宽的处理器都非常钟爱HBM。AMD最早携手SK海力士开发了HBM,并在其Fury显卡中首先采用。2017年AMD发布的Vega显卡使用了新一代的HBM2,2019年推出的Radeon VII显卡也搭载了HBM2。

英伟达于2016年在帕斯卡架构的显卡Tesla P100中使用了HBM2,随后的Tesla V100也采用了HBM2。今年,英伟达升级了A100 PCIe GPU加速器,为其配备了80GB HBM2e内存,使带宽达到了惊人的2.0TB/s。

围绕HBM,存储巨头也展开了升级竞赛。在海力士发布了HBM之后,三星在2016年宣布开始批量生产4GB HBM2 DRAM,同时表示将在同一年内生产8GB HBM2 DRAM封装,随后于2017年7月宣布增产8GB HBM2。不甘心被反超的海力士也在2017年下半年开始量产HBM2。

2019年8月,SK海力士宣布成功研发出新一代HBM2E,并于2020年7月宣布开始量产。2020年2月,三星正式宣布推出其16GB HBM2E产品“Flashbolt”,表示将在同年开始量产。

在2021年2月,三星又推出了其首个HBM-PIM(Aquabolt-XL),将AI处理能力整合到HBM2 Aquabolt中。随后,HBM-PIM在赛灵思(Xilinx)Virtex Ultrascale+(Alveo)AI加速器中进行了测试,提升了近2.5倍的系统性能,并降低超过60%的能耗。

至于下一代的HBM3标准,虽然JEDEC尚未正式发布,但是海力士已经发布了他们的产品,公开的最高数据传输速率达到5.2Gbps。而下下一代的HBM4,带宽更是会达到惊人的8TB/s。相比于带宽已经接近极限的DDR,HBM还有无穷的潜力可以发掘。

更大的应用空间

HBM的优点和缺点同样明显。较低的功耗使HBM非常适合功率受限又需要最大带宽的环境,如人工智能计算,或是大型密集计算的数据中心。因为使用额外的硅联通层,通过晶片堆叠技术与处理器连接,这又使HBM又具有多个缺点。

“HBM通过2.5D封装把两个Die在interposer(介质层)上互联到一起,这里面就会出现机械应力、散热等问题,如此复杂的工艺,还会使得良率下降。”白文杰认为这都是HBM相对于传统的DRAM所存在的劣势。

复杂的工艺还带来高昂的成本,这也是HBM很难进入消费级显卡的主要原因。每个HBM堆叠都有上千个连接,因此需要高密度的互连,这远远超过PCB的处理能力。同时,HBM追求最高效能和最佳的电源效率,但成本更高,需要更多的工程时间和技术。

白文杰认为,因为使用了2.5D封装,其较低的良率会增加生产成本。同时,因为要把CPU、DRAM和介质层都封装在一起,整个生产周期会很长,也会增加时间成本。

据了解,HBM其单价是目前DRAM封装的2-3倍,且其尺寸大于LPDDR4芯片。因此,目前它的市场并不大,仅应用于要求超高性能的大型数据中心。但是像所有技术一样,HBM的成本也在随着成熟度增加而不断降低。Rambus IP核产品营销高级总监 Frank Ferro 就表示:“HBM2E实现一个特定的带宽需求可能需要4个DRAM;而HBM3可能只需要2个DRAM,这就带来非常直接的成本下降。”

处理器界的两巨头都将HBM纳入了未来的处理器蓝图中,AMD下一代Zen 4核心的EPYC Genoa处理器将支持HBM,Intel的Sapphire Rapids至强处理器也会有HBM版。这也不禁让人想到一个问题,HBM能否完全取代DDR?

芯榜咨询总经理韩晓敏认为可能性不大,“HBM主要优势是在高带宽和低功耗领域,并不太符合CPU的使用场景,更多应该还是以配合并行计算的GPU和ASIC芯片为主,取代DDR的可能性不太大。”

白文杰也认为:“DDR协议很难再提高速率了,但是CPU对于速率的需求还不断提升,HBM在某些特定领域是有可能会取代DDR的。”

目前为止,数据中心还是HBM最主要的应用场景,但是新的机会正在慢慢显现。据Frank Ferro判断,随着设备越来越多的边缘化,HBM3也可能被应用在未来的5G设备上,特别是那些对带宽有更高要求的5G设备。

从技术层面来看,限制HBM的环节也正在逐一被化解。据悉,在HBM2的时代,中介层本身的技术是有限制的,即1代和2代的中介层最高只能做到两层,设计的线宽、金属层的厚度都是非常有限的。随着中介层技术的发展,其本身的厚度、金属层和线宽都有了一定的增加,这进一步推动了HBM未来的发展。

业界因此对HBM寄予了深厚的期望。正如Frank Ferro 所言,“HBM的发展很大程度上是由不断上升的带宽需求驱动的,而对带宽的需求几乎没有上限,换句话说,目前来看HBM的发展可能不会遇到障碍。”(校对/艾禾)

赞(0) 打赏
未经允许不得转载:芯榜-芯片排行榜 » 【布局】从中外工艺制程差距,看高云半导体的全球化布局;透过“能耗双控”主旋律,看国民技术的产业布局;车规级IGBT开启国产化放量时代
分享到: 更多 (0)

芯榜:媒体 数据 排名

联系我们联系我们

觉得文章有用就打赏一下文章作者

非常感谢你的打赏,我们将继续给力更多优质内容,让我们一起创建更加美好的网络世界!

支付宝扫一扫打赏

微信扫一扫打赏