近年來(lái)隨著人工智能浪潮的興起，數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器市場(chǎng)對(duì)于內(nèi)存性能的要求達(dá)到了前所未有的高度。HBM（高帶寬內(nèi)存）憑借其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，如高帶寬、低功耗、高集成度和靈活的架構(gòu)，成為了這一領(lǐng)域的“香餑餑”，炙手可熱。

HBM 技術(shù)不僅滿足了高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理對(duì)內(nèi)存帶寬和容量的極高要求，還通過(guò)其先進(jìn)的 3D 堆疊技術(shù)和硅通孔（TSV）技術(shù)顯著降低了功耗和空間占用。在人工智能模型訓(xùn)練、科學(xué)計(jì)算、圖形渲染等應(yīng)用場(chǎng)景中，HBM 為系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的內(nèi)存支持，極大地提升了數(shù)據(jù)處理效率和計(jì)算性能，成為推動(dòng)數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器市場(chǎng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一。

HBM 協(xié)議概述

HBM（High Bandwidth Memory）即高帶寬內(nèi)存，是一種用于 GPU、服務(wù)器、高性能計(jì)算（HPC）以及網(wǎng)絡(luò)連接的內(nèi)存接口。它采用 3D 堆疊 DRAM 存儲(chǔ)器技術(shù)，將多個(gè) DDR 芯片堆疊在一起并與 GPU 封裝，形成大容量、高位寬的 DDR 組合陣列。HBM 協(xié)議通過(guò)堆疊的方式顯著提高了內(nèi)存的帶寬和容量，同時(shí)降低了功耗和占用空間，為高性能計(jì)算領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的內(nèi)存支持。

HBM 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及迭代

HBM 協(xié)議的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

·高帶寬

HBM 通過(guò)增加位寬而非提高頻率來(lái)提升帶寬。其 IO 位寬可達(dá) 1024bits，遠(yuǎn)高于 GDDR5的32bits。例如，HBM以500MHz 的內(nèi)存為例，單個(gè)顆粒的帶寬可達(dá)到 128GB/s，而 GDDR5 的帶寬通常在 128GB/s左右，但需要更高的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。HBM 的帶寬優(yōu)勢(shì)使其在需要大量數(shù)據(jù)并行處理的場(chǎng)景中表現(xiàn)更優(yōu)。

·低功耗

相比傳統(tǒng)的 GDDR5，HBM 在相同帶寬下功耗更低。這是因?yàn)?HBM 通過(guò)堆疊結(jié)構(gòu)減少了芯片間的連接距離，從而降低了信號(hào)傳輸?shù)墓摹４送猓琀BM 還支持多種節(jié)能模式，如待機(jī)模式、動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整等，可以根據(jù)實(shí)際工作負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整功耗，進(jìn)一步提高了能效比。

·更小外形

除了性能和功耗外，HBM 在節(jié)省產(chǎn)品空間方面也獨(dú)具匠心。隨著游戲玩家對(duì)更輕便高效的電腦追求，HBM 應(yīng)運(yùn)而生，它小巧的外形令人驚嘆，使游戲玩家可以擺脫笨重的 GDDR5 芯片，盡享高效。此外，HBM 比 GDDR5 節(jié)省了 94% 的表面積。

·高集成度

HBM 采用 3D 堆疊技術(shù)，將多個(gè) DRAM 芯片垂直堆疊在一起，通過(guò)硅通孔（TSV）進(jìn)行連接。這種堆疊方式不僅提高了內(nèi)存的容量密度，還減小了內(nèi)存模塊的物理尺寸，使得 HBM 更適合于對(duì)空間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如高性能計(jì)算和人工智能加速器等。

·靈活的架構(gòu)

HBM 的內(nèi)部組織方式具有較高的靈活性。其 BANK 和BANK 之間、Bankgroup 和 Bankgroup 之間是獨(dú)立訪問(wèn)的，這為上層靈活控制提供了接口。此外，HBM 還支持多種尋址模式和命令操作，如偽通道（pseudo channel）尋址、雙命令接口等，能夠更好地適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和工作負(fù)載。

技術(shù)迭代：從 HBM1 到 HBM3E 的五代演進(jìn)

HBM 的應(yīng)用場(chǎng)景

HBM（High Bandwidth Memory）憑借其高帶寬、低功耗、高集成度和靈活的架構(gòu)特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，以下是 HBM 的主要應(yīng)用場(chǎng)景：

高性能計(jì)算（HPC）

·科學(xué)計(jì)算：在氣象預(yù)報(bào)、宇宙模擬等中，HBM 的高帶寬可快速處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，提升計(jì)算效率。

·基因測(cè)序：快速處理和分析大規(guī)模基因數(shù)據(jù)，加速基因測(cè)序和相關(guān)研究。

人工智能（AI）

·模型訓(xùn)練：在 AI 模型訓(xùn)練中，HBM 的高帶寬和低功耗可高效處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，提高訓(xùn)練效率。

·推理應(yīng)用：在自動(dòng)駕駛、智能醫(yī)療等場(chǎng)景中，HBM 可快速響應(yīng)推理請(qǐng)求，保障決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

圖形處理（GPU）

·游戲顯卡：HBM 可提升 GPU 性能，實(shí)現(xiàn)更高分辨率和幀率，增強(qiáng)游戲體驗(yàn)。

·專業(yè)圖形工作站：在 3D 建模、動(dòng)畫渲染等場(chǎng)景中，HBM 可加速圖形渲染，提高設(shè)計(jì)效率。

網(wǎng)絡(luò)通信

·高速網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器：HBM 可作為緩存或中間存儲(chǔ)，提供高帶寬的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)能力，滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的快速處理需求。

·5G及未來(lái)通信技術(shù)：在 5G 基站和核心網(wǎng)中，HBM 可高效處理大量數(shù)據(jù)，保障網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)。

仿真

使用巨霖仿真軟件 SIDesigner 搭建 HBM3 的仿真電路，原理圖如下：

仿真結(jié)果如下：

工程師可以對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行全面的系統(tǒng)性能評(píng)估、優(yōu)化系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性，加速產(chǎn)品研發(fā)、迭代過(guò)程。

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