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三星制定「三階段HBM路線圖」:邁向真正的3D ZHBM,將DRAM直接堆疊在運算晶片上

三星制定「三階段HBM路線圖」:邁向真正的3D ZHBM,將DRAM直接堆疊在運算晶片上

华尔街见闻华尔街见闻2026/08/24 03:01
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作者:华尔街见闻

三星在Hot Chips大會上發布三階段HBM演進路線圖,目標直指將DRAM垂直堆疊於運算晶片之上的「zHBM」架構。三星表示,zHBM相比HBM4E可實現70%功耗降低、230%頻寬提升,並為GPU額外釋放100W熱功耗餘量。

近日,在Hot Chips技術大會上,三星DRAM設計團隊的Sangwook Han發表演講,正式公開三星HBM演進的三階段路線圖。這一路線圖的終點,是一種名為zHBM的全新架構——將DRAM直接垂直堆疊於GPU、TPU等運算晶片之上,徹底取消2.5D中介層(interposer)。

據wccftech 8月23日報導,三星方面表示,相較於標準HBM4E,zHBM方案宣稱可實現70%的功耗降低、230%的DRAM頻寬提升,以及每個DRAM模組節省100W功耗,同時為GPU釋放8.3%的額外功率空間。

HBM是什麼,瓶頸在哪裡

HBM,即高頻寬記憶體,是目前AI訓練和推理系統中最關鍵的儲存元件之一。它由兩類晶片構成:

  • C-die(核心晶片):包含DRAM儲存單元,可垂直堆疊最多16層

  • B-die(基底晶片/Base Die):位於整個堆疊結構底部,負責處理各類DRAM控制功能,並通過PHY(物理介面層)與GPU等運算晶片通訊

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兩者之間透過TSV(Through-Silicon Via,矽通孔)連接——這是一種穿透晶片的垂直導電通道。

據Wccftech報導,目前HBM4每個堆疊的頻寬已超過3TB/s,HBM4E進一步推進至4TB/s區間,HBM5則在HBM4基礎上將頻寬翻倍,容量超過60GB。

然而,頻寬的不斷擴展正面臨兩大硬性制約:TSV數量與間距的物理極限,以及Base Die內PHY介面的I/O數量與速度上限。同時,B-die與運算晶片(xPU SoC)之間的製程差距正逐代縮小,這既是挑戰,也為三星的路線圖提供切入點。

第一階段:為運算晶片“騰地方”

三星路線圖的第一階段,核心目標是從xPU(運算晶片)那裡"搶回"矽面積。

三星已將D1c與4nm邏輯製程應用於HBM4的Base Die(B-die),主要目的是降低功耗、縮小有效面積。這是DRAM與先進邏輯製程真正融合的起點。

具體措施包括:

  • 用D2D介面取代傳統HBM PHY,縮短信道長度,直接改善能效,同時為XPU釋放寶貴矽晶圓空間

  • 將記憶體控制器從XPU卸載至cHBM的B-die,預計可為XPU釋放5%至10%的面積,對應10%至20%的效能提升

  • 引入基於SRAM的細粒度修復方案(Near-MC SRAM-Based Cell Repair),利用B-die上的閒置空間部署SRAM修復資源

面積縮小帶來的副作用是熱點問題。對此,三星已推出Heat Path Block(HPB)技術,構建於cHBM4方案之上,可將峰值溫度降低逾35%,涵蓋50%的PHY區域。

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第二階段:B-die開始“長出”運算能力

第二階段的重點從"騰空間"轉向"加功能",三星將其定義為功能擴展階段。

擴展記憶體容量。隨著AI大模型的上下文視窗(context window)急劇擴大,KV快取(Key-Value Cache,模型推理時用來儲存中間狀態的記憶體區域)的需求呈指數級增長。三星計劃在Base Die的閒置矽面積上整合記憶體擴展控制器與PHY,通過外接LPDDR或HBM等方案擴充系統可用記憶體容量。

整合處理單元(PE)。三星還提出在Base Die上整合部分運算處理單元(Processing Elements),將部分原本需要在xPU上完成的計算卸載至記憶體側,從而降低D2D頻寬需求、減少功耗與熱負載。這一形態被稱為AHBM(Advanced HBM,進階高頻寬記憶體)。

強化可靠性與測試能力。第二階段還包括在Base Die上整合先進的RAS(Reliability, Availability, Serviceability,可靠性、可用性與可維護性)感測器與即時遙測功能,以及片上自我測試(ATIP)能力,提升良率與測試覆蓋率。

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第三階段:zHBM——消滅中介層,DRAM直接壓在運算晶片上

第三階段是整個路線圖的終極型態:zHBM。

現行主流AI系統採用2.5D封裝架構,GPU與HBM並排放置在同一塊中介層(interposer)上,通過橫向互連傳輸資料。zHBM的設計理念是把這個架構"豎起來"——讓DRAM堆疊直接壓在xPU晶片之上,構成真正的3D垂直整合。

三星描述的zHBM關鍵特性包括:

  • 分散式I/O:最小化HBM堆疊內數據傳輸距離

  • 3D結構:消除傳統2D介面,大幅提升系統效率

  • I/O功耗目標約0.5 pJ/bit:藉由移除SerDes等冗餘模組實現

  • 頻寬提升超2.3倍,系統熱容達100W

三星展示的方案為四堆疊zHBM疊加於一顆XPU之上。

為實現上述目標,三星正在研發兩項關鍵封裝技術:WoW(Wafer on Wafer)與HCB(Hybrid Cube Bonding),以實現超高I/O密度,並最終建立統一的SoC-DRAM協同設計體系。

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路線圖背後的核心邏輯

三星此次發表的核心論述,是將HBM的Base Die從一個"被動的數據中轉站"重新定義為"具備主動運算能力的智慧夥伴"。

三個階段的演進邏輯清楚:先透過製程升級縮小面積、釋放xPU空間(第一階段);再運用釋放出的空間整合更多功能、擴展容量與運算能力(第二階段);最終藉由3D垂直整合徹底重構系統架構,在功耗、頻寬與熱管理三個層面同步突破(第三階段)。

三星在演講總結中表示:「透過掌握先進封裝與統一SoC-DRAM協同設計,我們將突破限制AI系統的功耗、面積與容量瓶頸,為未來數年更高效率、更高效能、更強擴展性鋪平道路。」

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