HBM的未來(lái)

01.HBM

高帶寬內(nèi)存（HBM）正在成為超大規(guī)模廠商的首選內(nèi)存，但其在主流市場(chǎng)的最終命運(yùn)仍然存在疑問(wèn)。雖然它在數(shù)據(jù)中心中已經(jīng)很成熟，并且由于人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)的需求導(dǎo)致使用量不斷增加，但其基本設(shè)計(jì)固有的缺陷阻礙了更廣泛的采用。另一方面，HBM 提供結(jié)構(gòu)緊湊的 2.5D 結(jié)構(gòu)尺寸，可大幅減少延遲。

Rambus產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)總監(jiān) Frank Ferro 在 Rambus 設(shè)計(jì)展會(huì)上發(fā)表演講時(shí)表示：“HBM 的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在可變的范圍內(nèi)獲得所有這些帶寬，并且表示獲得了非常好的功耗?！?/p>

圖1：實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量的HBM堆棧

“目前困擾高帶寬內(nèi)存的問(wèn)題之一是成本，”Cadence IP 團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Marc Greenberg 說(shuō)道?！?D 成本相當(dāng)高，相當(dāng)于有一個(gè)邏輯芯片位于芯片的底部，這是你必須支付的額外硅片。然后是硅層，它位于CPU或GPU以及HBM內(nèi)存的下面。然后，你需要一個(gè)更大的封裝，等等。目前現(xiàn)存的HBM切割了消費(fèi)者領(lǐng)域，并更早放置在服務(wù)器機(jī)房或數(shù)據(jù)中心，存在許多系統(tǒng)成本。相比之下，GDDR6等圖形內(nèi)存雖然無(wú)法提供與HBM一樣多的性能，但成本卻顯著降低。GDDR6的單位成本性能實(shí)際上比 HBM 好，但 GDDR6 器件的最大帶寬與 HBM 的最大帶寬不匹配?！?/p>

Greenberg表示，這些差異為公司選擇 HBM 提供了令人信服的理由，即使它可能不是他們的第一選擇。“HBM 提供充足的帶寬，并且每比特傳輸?shù)哪芰繕O低。使用 HBM 是因?yàn)槟惚仨氝@樣做，因?yàn)闆](méi)有其他解決方案可以為你提供所需的帶寬或所需的功率?！?/p>

而且 HBM 只會(huì)變得越來(lái)越快?！拔覀冾A(yù)計(jì) HBM3 Gen2 的帶寬將提高 50%，”美光計(jì)算產(chǎn)品事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理 Praveen Vaidyanathan 說(shuō)道?！皬拿拦獾慕嵌葋?lái)看，我們預(yù)計(jì) HBM3 Gen2產(chǎn)品將在2024財(cái)年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。在2024日歷年初，我們預(yù)計(jì)隨著時(shí)間的流逝，它將開(kāi)始為收入做出貢獻(xiàn)。此外，我們預(yù)測(cè)美光的HBM3將貢獻(xiàn)比DRAM更高利潤(rùn)?！?/p>

盡管如此，成本因素可能會(huì)像許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一樣考慮更有性價(jià)比的替代方案。

Greenberg指出：“如果有任何方法可以將大問(wèn)題解析為更小的部分，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它提高了成本效益。例如，面對(duì)一個(gè)巨大的問(wèn)題并且必須在一個(gè)硬件上執(zhí)行所有這些操作，而且我必須在那里使用 HBM，也許我可以將其中斷兩個(gè)部分。讓兩個(gè)進(jìn)程任務(wù)運(yùn)行，另外一部分可能連接到 DDR6。如果我能夠?qū)?wèn)題闡釋為更小的部分，那么我可能會(huì)以更小成本完成相同數(shù)量的計(jì)算。但如果你需要那么大的帶寬，那么 HBM 就是你唯一的選擇。”

另一個(gè)主要缺點(diǎn)是HBM 的 2.5D 結(jié)構(gòu)會(huì)積聚熱量，而其放置在接近 CPU 和 GPU 的位置會(huì)加劇這種情況。事實(shí)上，在嘗試給出不良設(shè)計(jì)的理論樣本時(shí)，很難想出比當(dāng)前樣本更糟糕的東西，當(dāng)前布局將 HBM及其熱敏 DRAM 堆棧放置在計(jì)算密集型熱源附近，導(dǎo)致散熱很難處理。

“最大的挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)，”Greenberg說(shuō)?！澳阌幸粋€(gè)CPU，根據(jù)定義它會(huì)生成大量數(shù)據(jù)。你通過(guò)這個(gè)接口每秒T bits，即使每次消耗只有皮焦耳熱，但每秒都會(huì)執(zhí)行十億次計(jì)算，因此你的CPU會(huì)非常熱。它不僅僅是移動(dòng)周?chē)臄?shù)據(jù)。它也必須進(jìn)行計(jì)算。最重要的是最不喜歡熱的半導(dǎo)體組件，即DRAM。85 ℃左右它開(kāi)始忘記東西，125℃左右則心不在焉。這是兩個(gè)完全不同的事情?！?/p>

還有一個(gè)可取之處?！皳碛?.5D堆棧的優(yōu)勢(shì)在于，CPU很熱，但可以間隔一定物理距離把HBM位于CPU旁邊，這樣會(huì)犧牲延時(shí)性能?！彼f(shuō)。

但是Synopsys 內(nèi)存接口 IP 解決方案產(chǎn)品線總監(jiān) Brett Murdock說(shuō)道，“在延遲和熱量之間的權(quán)衡中，延遲是不能變的。我沒(méi)有看到任何人犧牲延遲，我希望他們推動(dòng)物理團(tuán)隊(duì)尋找更多好的冷卻方式，或者更好的放置方式，以保持較低的延遲?！?/p>

02.HBM和AI

雖然很容易想象計(jì)算是 AI/ML 最密集的部分，但如果沒(méi)有良好的內(nèi)存架構(gòu)，這一切都不會(huì)發(fā)生。需要內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)和檢索數(shù)萬(wàn)億次計(jì)算。事實(shí)上，在某種程度上添加更多 CPU 并不會(huì)提高系統(tǒng)性能，因?yàn)閮?nèi)存帶寬無(wú)法支持它們。這就是臭名昭著的“內(nèi)存墻”瓶頸。

Quadric首席營(yíng)銷(xiāo)官 Steve Roddy 表示，從最廣泛的定義來(lái)看，學(xué)習(xí)機(jī)器只是曲線函數(shù)?！霸谟?xùn)練運(yùn)行的每次迭代中，你都在努力越來(lái)越接近曲線的最佳函數(shù)。這是一個(gè)XY圖，就像高中幾何課一樣。大型語(yǔ)言模型基本上是同一件事，但是是100億維，而不是2維?！?/p>

因此，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但內(nèi)存架構(gòu)可能非常驚人。

Roddy 解釋說(shuō)：“其中一些模型擁有 1000 億字節(jié)的數(shù)據(jù)，對(duì)于每次重新訓(xùn)練迭代，你都必須通過(guò)數(shù)據(jù)中心的背板從磁盤(pán)上取出 1000 億字節(jié)的數(shù)據(jù)并放入計(jì)算箱中?！薄霸趦蓚€(gè)月的訓(xùn)練過(guò)程中，你必須將這組巨大的內(nèi)存值來(lái)回移動(dòng)數(shù)百萬(wàn)次。限制因素是數(shù)據(jù)的移入和移出，這就是為什么人們對(duì) HBM 或光學(xué)互連從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)接?jì)算結(jié)構(gòu)的東西感興趣。所有這些都是人們投入數(shù)億美元風(fēng)險(xiǎn)投資的地方，因?yàn)槿绻隳苓M(jìn)行每周距離或時(shí)間，你就可以最大程度地簡(jiǎn)化每周訓(xùn)練過(guò)程，無(wú)論是切斷電源還是加快速度?！?/p>

由于所有這些原因，高帶寬內(nèi)存被認(rèn)為是 AI/ML 的首選內(nèi)存?！八峁┝艘恍┯?xùn)練算法所需的最大帶寬，”Rambus 的 Ferro 說(shuō)?！皬目梢該碛卸鄠€(gè)內(nèi)存堆棧從角度來(lái)看，它是可配置的，這提供了非常高的帶寬?！?/p>

這就是人們對(duì) HBM 如此感興趣的原因。Synopsys的大多數(shù)客戶都是人工智能客戶，所以他們正在 LPDDR5X 接口和 HBM 接口之間進(jìn)行一項(xiàng)重大的基本權(quán)衡。他們忽略了成本。他們真的很渴望 HBM。這是他們對(duì)技術(shù)的渴望，因?yàn)橥ㄟ^(guò)HBM能夠在一個(gè) SoC 周?chē)鷦?chuàng)建可以足夠大的帶寬量?，F(xiàn)在，他們可以在SoC 周?chē)胖昧?6 個(gè) HBM 堆棧。

然而，人工智能的需求如此之高，以至于HBM減少延遲的前沿特征又推動(dòng)了下一代HBM的發(fā)展。

“延遲正在成為一個(gè)真正的問(wèn)題，”Ferro說(shuō)。“在 HBM 的前兩代中，我沒(méi)有聽(tīng)到任何人抱怨延遲。現(xiàn)在我們一直收到有關(guān)延遲的問(wèn)題?！?/p>

Ferro 建議，抓住當(dāng)前的限制，了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極其重要?！八赡苁沁B續(xù)的數(shù)據(jù)，例如視頻或語(yǔ)音識(shí)別。也可能是事務(wù)性的，就像財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)一樣，可能非常隨機(jī)。如果你知道數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，那么設(shè)置內(nèi)存接口的方式將與流式傳輸視頻不同。這些是基本問(wèn)題，但也有層次的問(wèn)題。我要在內(nèi)存中使用的字長(zhǎng)是多少？?jī)?nèi)存的塊大小是多少？這個(gè)了解得越多，你設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效率就越大。如果你了解了，那么你可以定制處理器，從而最大限度地提高計(jì)算能力和內(nèi)存帶寬。我們看到越來(lái)越多的 ASIC 式 SoC 正在瞄準(zhǔn)特定的目標(biāo)市場(chǎng)剖析市場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)更高效的處理?！?/p>

降低 HBM 成本將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于將 TSV 放置在晶圓上的成本很高，因此加工成本已經(jīng)明顯高于標(biāo)準(zhǔn) DRAM。這使得它無(wú)法擁有像標(biāo)準(zhǔn) DRAM 一樣大的市場(chǎng)。由于市場(chǎng)較小，規(guī)模經(jīng)濟(jì)導(dǎo)致成本在一個(gè)自給自足的過(guò)程中更高。體積越小，成本越高，但成本越高，使用的體積就越少。沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。盡管如此，HBM 已經(jīng)是一個(gè)成熟的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這是一種獨(dú)特的 DRAM 技術(shù)形式，能夠以比 SRAM 低得多的成本提供極高的帶寬。它還可以通過(guò)封裝提供比 SRAM 更高的密度。它會(huì)隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)，就像 DRAM 一樣。隨著接口的成熟，預(yù)計(jì)會(huì)看到更多巧妙的技巧來(lái)提高其速度。