隨著各行業(yè)對高速、高吞吐量數(shù)據(jù)處理的需求持續(xù)攀升，深入理解 HBM 的架構(gòu)設(shè)計、核心優(yōu)勢，以及它在下一代系統(tǒng)中的演進(jìn)定位，已成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵前提。

　　本文將深入解析 HBM 的工作原理，對比其與前代產(chǎn)品的差異，并闡釋它為何能成為下一代計算技術(shù)的核心支柱。

　　什么是HBM?它如何重塑計算未來?

　　在計算技術(shù)向著更高速度、更高能效飛速演進(jìn)的過程中，內(nèi)存帶寬已成為制約人工智能、高性能計算、數(shù)據(jù)分析等工作負(fù)載性能的主要瓶頸，而HBM正是針對這一痛點(diǎn)的突破性技術(shù)。HBM 是一種前沿的 2.5D/3D 內(nèi)存架構(gòu)，其核心優(yōu)勢在于超寬數(shù)據(jù)通路設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)吞吐量與性能躍升。不同于依賴水平布局和窄接口的傳統(tǒng)內(nèi)存架構(gòu)，HBM 采用垂直集成方案：將多層內(nèi)存裸片堆疊，并通過硅通孔(TSV) 實(shí)現(xiàn)互連。這種 3D 堆疊設(shè)計大幅縮短了數(shù)據(jù)傳輸路徑，能夠在緊湊的封裝尺寸內(nèi)，同步實(shí)現(xiàn)帶寬提升與功耗降低。

　　HBM 可運(yùn)行于極高的千兆級速率。當(dāng)超高速率與超寬數(shù)據(jù)通路相結(jié)合時，可產(chǎn)生驚人的帶寬表現(xiàn)，其帶寬通常以數(shù)百 GB/s(吉字節(jié)每秒)為單位計量，部分場景下甚至可達(dá) TB/s(太字節(jié)每秒)級別。

　　以具體數(shù)據(jù)為例：一款運(yùn)行速率為 8 GB/s 的 HBM4 器件，可提供高達(dá) 2.048 TB/s 的帶寬。正是憑借這一卓越性能，HBM4 成為了人工智能訓(xùn)練硬件的首選方案。

　　什么是 2.5D/3D 架構(gòu)?

　　2.5D 和 3D 架構(gòu)是兩種先進(jìn)的芯片集成技術(shù)，其核心邏輯是通過物理層面的元件近距離整合，實(shí)現(xiàn)性能、帶寬與能效的同步優(yōu)化。

　　Rambus HBM4 架構(gòu)解析

　　3D 架構(gòu)

　　3D 架構(gòu)的設(shè)計邏輯直觀易懂：在該架構(gòu)中，多枚芯片垂直堆疊，并通過硅通孔(TSV，一種貫穿硅裸片的垂直電氣互連結(jié)構(gòu))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。一枚 HBM 內(nèi)存器件本質(zhì)上是一個經(jīng)過封裝的 3D DRAM 堆疊模塊，可將其比作一棟 “芯片摩天大樓”，而硅通孔就如同連接各樓層的 “電梯”，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

　　2.5D 架構(gòu)

　　在 2.5D 架構(gòu)中，多枚芯片(如 CPU、GPU，以及本文所討論的 HBM 器件堆疊體)會并排安裝在硅中介層之上。硅中介層是一種超薄硅基襯底，可作為芯片間的高速通信橋梁。中介層內(nèi)部刻有精細(xì)間距的布線，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片之間低延遲的高速互連。

　　為何必須使用硅中介層?原因在于：單枚 HBM4 內(nèi)存器件與處理器之間的數(shù)據(jù)通路，就需要 2048 條 “線路”(或稱跡線)，再加上命令、地址、時鐘等信號線路，所需的跡線總數(shù)將達(dá)到約 3000 條。

　　如此龐大的跡線數(shù)量，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板(PCB)的承載能力。因此，硅中介層被用作連接內(nèi)存器件與處理器的中間載體。與集成電路的制造工藝類似，硅中介層表面可蝕刻出高密度精細(xì)間距跡線，從而滿足 HBM 接口對線路數(shù)量的需求。HBM 器件與處理器共同搭載于中介層之上，這種集成方案即為2.5D 架構(gòu)。

　　HBM 同時融合了上述 2.5D 與 3D 兩種架構(gòu)技術(shù)，因此被定義為2.5D/3D 架構(gòu)內(nèi)存解決方案。

　　HBM4 與 HBM3E、HBM3 及初代 HBM 有何差異?

　　在帶寬、容量、能效與架構(gòu)創(chuàng)新等維度，HBM4 相較于前代產(chǎn)品(HBM3E、HBM3 及更早版本)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。從初代產(chǎn)品到最新版本，HBM 的發(fā)展呈現(xiàn)出清晰的演進(jìn)趨勢：數(shù)據(jù)傳輸速率、3D 堆疊層數(shù)、DRAM 芯片密度持續(xù)提升，而這一趨勢直接轉(zhuǎn)化為每次規(guī)格升級后，帶寬與器件容量的顯著增長。

　　初代 HBM 的數(shù)據(jù)傳輸速率為 1 GB/s，接口位寬為 1024 比特，可提供 128 GB/s 的帶寬，在當(dāng)時堪稱一次重大技術(shù)突破。此后的每一代產(chǎn)品，均通過提升數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)了帶寬的跨越式增長 —— 例如，HBM3E 的運(yùn)行速率可達(dá) 9.6 GB/s，單堆疊帶寬高達(dá) 1229 GB/s。這一性能表現(xiàn)已十分亮眼，但 HBM4 在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了顛覆性突破：它并未局限于速率微調(diào)，而是將接口位寬從 1024 比特翻倍至 2048 比特。這一架構(gòu)革新帶來的效果是：即便以 8 GB/s 的中等速率運(yùn)行，HBM4 單堆疊帶寬仍可達(dá) 2.048 TB/s，幾乎是 HBM3E 的兩倍。

　　芯片架構(gòu)師并未止步于單堆疊設(shè)計。為了滿足人工智能加速器與下一代 GPU 的海量帶寬需求，他們正在設(shè)計多堆疊集成系統(tǒng)。試想一個搭載 8 枚 HBM4 堆疊的配置，每枚堆疊運(yùn)行速率為 8 GB/s，其總內(nèi)存帶寬將達(dá)到驚人的 16.384 TB/s。這一量級的吞吐量，正是支撐大規(guī)模人工智能模型訓(xùn)練與高性能計算工作負(fù)載的核心需求。

　　HBM4 還有哪些核心特性?

　　除了帶寬的飛躍式提升，相較于 HBM3E，HBM4 在功耗控制、內(nèi)存訪問效率與可靠性、可用性和可維護(hù)性(RAS) 等方面也進(jìn)行了全面升級。

　　內(nèi)存通道數(shù)量翻倍：HBM4 將單堆疊的獨(dú)立通道數(shù)量提升至 32 個，且每個通道配備 2 個偽通道，為設(shè)計人員提供了更靈活的堆疊內(nèi) DRAM 訪問策略。

　　能效優(yōu)化升級：HBM4 支持多種電壓配置，其中數(shù)據(jù)接口電壓(VDDQ)可選 0.7V、0.75V、0.8V 或 0.9V，核心電壓(VDDC)可選 1.0V 或 1.05V。更低的工作電壓，直接帶來了更高的能效比。

　　兼容性與靈活性兼?zhèn)洌篐BM4 接口標(biāo)準(zhǔn)具備向下兼容性，可與現(xiàn)有 HBM3 控制器無縫對接，為各類應(yīng)用場景提供靈活的集成方案。

　　定向刷新管理(DRFM)：HBM4 集成了定向刷新管理技術(shù)，以提升系統(tǒng)的可靠性、可用性與可維護(hù)性，其中就包括對行錘效應(yīng)(Row-hammer) 的優(yōu)化抑制。

　　面向人工智能與高性能工作負(fù)載的 Rambus HBM 內(nèi)存控制器IP

　　Rambus 打造了一套全面的 HBM 控制器核產(chǎn)品組合，所有產(chǎn)品均以極致速度與能效為核心設(shè)計目標(biāo)。這些控制器專為高帶寬、超低延遲場景研發(fā)，可賦能人工智能訓(xùn)練、機(jī)器學(xué)習(xí)與前沿計算應(yīng)用，助力實(shí)現(xiàn)突破性性能。

　　該產(chǎn)品組合包含多款行業(yè)領(lǐng)先的控制器，其中 HBM4 內(nèi)存控制器支持最高 10 GB/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠為下一代工作負(fù)載提供高度靈活的適配能力。借助 Rambus 的 HBM 控制器，設(shè)計人員可在高負(fù)載的人工智能與高性能計算場景中，實(shí)現(xiàn)卓越的吞吐量、可擴(kuò)展性與可靠性。

　　總結(jié)

　　隨著計算需求的持續(xù)激增，HBM 已成為解決內(nèi)存帶寬瓶頸的變革性技術(shù)。通過融合先進(jìn)的 2.5D 與 3D 架構(gòu)，HBM 能夠在緊湊封裝內(nèi)，為下一代工作負(fù)載提供海量吞吐量、超高能效與卓越可擴(kuò)展性。HBM4 不僅實(shí)現(xiàn)了接口位寬翻倍，更在靈活性與可靠性方面新增多項特性，其必將成為人工智能、高性能計算與數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的核心支撐技術(shù)。深入理解 HBM 的技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)，是構(gòu)建未來高性能計算系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。