HBM 技术在 AI 服务器领域的应用及发展前景，国内产业如何应对制裁挑战？

全文摘要

目前，HBM（高带宽内存）技术在AI服务器领域广泛应用，尚未普及至PC或手机等产品。HBM3E正进入验证阶段，主要生产商包括三星、海力士和美光，其中海力士市场份额最高。预计HBM4将在2026年第三季度开始大规模量产，技术细节如3D飞碟封装仍在讨论中。2023年，全球HBM产能合计约24万片，能满足AI市场需求。2024年，随着海力士、三星和美光扩大产能，总产能有望达到70万片。HBM价格高于传统DDR，显示其高市场价值。全球半导体领域受制裁影响，尤其是美国对18纳米以下制程等技术的限制，对国内半导体产业构成挑战。为减轻制裁影响，国内产业需加速技术升级和国产化进程。HBM技术采用TSV、RDL等先进封装技术，提升了内存带宽和速度，但制造工艺复杂度显著提高，材料需求增加。TSV工艺包括深反应离子蚀刻、绝缘层沉积、导电物质填充等步骤，对供应链管理要求高。国内刻蚀机市场被海外品牌主导，但在钻孔、绝缘层沉积、电镀填充等方面有所进展。HBM与传统内存封装技术的主要区别在于封装技术的先进性，特别是在提高互连密度和速度方面。EMC材料在HBM中的应用提高了封装效率。中国在HBM领域已有多家开发企业，其中一家预计明年第二或第三季度推出产品，显示出在材料和技术上的进步，但需应对国际限制和技术突破的挑战。面对外部限制，国内企业考虑供应商动态、申请技术豁免、使用现有技术或转向国产替代作为应对策略。

问答

问：HBM技术目前主要应用在哪类设备上？HBM在智能驾驶领域有何潜在应用？

HBM技术目前主要用于AI服务器，尤其是AI相关领域，尚未广泛应用于PC或手机等产品。HBM可能在汽车车载领域，特别是在智能驾驶方面有应用前景，但目前主要还是集中在AI服务器上。

问：HBM是什么类型的内存？

HBM是一种高性能内存，属于DDR系列的一种，被称为图形类DDR（GDDR）产品，不同于标准DDR和低功耗DDR。

问：HBM产品的供货情况如何？

HBM产品已经到达第五代，包括HM1、HM2、HM3、HM3E等，目前已有多家客户（如和AMD）验证通过，并预计在今年Q3左右开始大规模量产HM3E产品。

问：HBM目前有哪些厂商能够生产？

目前只有三星、海力士和美光三家厂商能够生产HBM内存，其中海力士的份额最高，约为50%，三星次之，美光占剩余10%左右。

问：HBM的产能情况如何？

2023年底，HBM的总产能为24万片，而2024年三家厂商将大幅度扩产，其中海力士计划达到2023年的三倍，三星计划达到2023年的2.5倍，美光计划在2024年底实现1.6倍的产能增长。预计到2024年底，HBM的产能将达到约70万片。

问：HBM产能与传统DDR内存的对比如何？

对比显示，HBM的产能数据明显低于传统DDR内存的产能数据。

问：HM与DDR在产能数据上有何差异？

HM的产能数据相比DDR显著较低，传统低压产品中，以三星等厂商为例，每月产能约40到60万片，而HM三家加起来全年产量仅24万片左右，两者在产能数据上存在较大差别。

问：HM实际产能如何？HM为何价值量大？

虽然HM的总产能数据较低，但其制造过程中的产能占据是传统DRAM的2到3倍。HM的价值量巨大主要源于其价格非常高，比如HM3的价格预计在30到32美金一个GB。

问：HM的具体价格范围是怎样的？

HM的价格区间从HM31起预计为30到32美金一个GB，而HMM3的价格大概是26美金一个GB左右，HTM3的价格则是26美金一个GB左右，HPM2和2亿的价格约为22到23美金一个GB，HBM1的价格在过去大概为18到19美金一个GB。

问：HM受到的制裁情况如何？

HM作为美国制裁的一部分，其产品如HM3以及HM3E等可能会限制在国内出售，同时可能会限制国内企业使用美国设备和材料来制造HBM颗粒，预计在Q4季度可能会出现制裁逻辑的变化。

问：HM的技术特点和供应链情况如何？

HM属于先进封装技术，不同于传统的Devan和Flash工艺，它使用了TSV、RDL、bump以及WLP等构造。HM在制造过程中涉及的工艺步骤、材料使用和工艺参数都与传统技术有巨大差异，尤其是TSV工艺，是首次大规模试用的新技术，旨在提高信号传输速度和带宽。

问：TSC工艺流程的第一道工艺是什么？TSC工艺流程中的第二道工艺及其区别于传统工艺的特点是什么？

TSC的第一道工艺是采用深反应测试法（DRIE）进行通孔制造。第二道工艺是绝缘层资产和阻挡层的沉积。相较于以前使用的反应课时法（RE），TSC采用等离子干法刻蚀（DRIE）进行孔深与宽比更大的刻蚀。

问：金元减毛和层间叠层的顺序是怎样的？

金元减毛在导电物质填充之后进行，而层间叠层则在成奸之后完成。

问：TSB在哪些产品中使用过生反应课时法（RE）？

生反应课时法（RE）曾在mmx图像处理产品中应用，但TSB中采用的是深反应测试法（DRIE）。

问：TSV孔钻孔后会先做什么步骤？

TSV孔钻孔完成后会先进行绝缘层的沉积，以防止电路信号干扰和连接问题。

问：目前绝缘层沉积的主要方法有哪些？

目前有PECBD、SACBD化学气相沉积和ALD原子层沉积等多种方法，其中设备主要被KLA和应用材料两家海外公司垄断。

问：绝缘层通常使用什么材料沉积？

绝缘层一般使用无机介质材料，如二氧化硅、氮化硅或这两种材料复合构成。

问：阻挡层和种子层是如何进行升级的？

阻挡层和种子层通常使用钛氮化钛等材料，并通过物理批量沉积（PVD）方法实现，类似操作在业界已有先进技术和设备，例如海外的KLAR等。

问：TSV工艺中最后一步是什么？TSV工艺与传统封装技术相比有何差异？

TSV工艺的最后一道步骤是金元减薄，也就是背面简化工艺，以使整个TSV结构的背面更平坦并满足后续工序要求。TSV工艺在材料类别上与传统封装技术有很大区别，它减少了使用的一些材料，但增加了特定的3D封装所需的材料，同时，TSV工艺的价值量增长幅度也大于传统封装技术。

问：HBM技术相比传统封装技术在材料使用上有何不同？

HBM技术在材料使用方面与传统封装技术存在显著差异。首先，HBM无需使用传统的焊球，而是直接采用微凸点技术进行连接，避免了传统封装中7PDA和MSRA基板之间的焊球连接环节。其次，HBM对于EMC（环氧树脂）材料的使用量远大于VM和lash技术，这是因为HBM通常采用八层堆叠设计，导致对EMC的使用量需求非常高。此外，HBM不仅在外表面填充EMC，还会填充内部空隙，这使得其对EMC材料的要求更高。

问：HBM技术在封装颗粒数量上有何特点？

HBM技术在封装颗粒数量上相对较少，通常一个颗粒的使用量大概在几百到几千个不等，远低于传统封装技术中潘锡球（PAD）的大量使用。同时，虽然HBM在封装颗粒上相较于传统技术有所提升，但其价值量相对较低，且由于需要占用产能且交货期较长，相比传统逻辑芯片的封装技术在价值量和成本控制上不占优势。

问：HBM技术中的in the boss（inBO）和传统逻辑芯片封装有什么区别？

在HBM技术中，in the boss（inBO）起到中间层的作用，用于连接HM颗粒与GPU芯片。相较于传统逻辑芯片封装工艺，inBO在制造工艺上更类似载板工艺，价格更低廉，且能更好地实现封装精度和信号传输性能。目前主要有两种封装方案，一种是传统的CDM模式，另一种是采用inBO封装的模式。尽管inBO成本较低，但在高端AI产品中的应用表现优于传统CDM封装，因其对准精度高、信号传输损耗小，从而提升了整体性能表现。

问：国内供应链在HBM技术中有哪些渗透和参与情况？

国内供应链已经在HBM技术中有所渗透，例如，在前期铝材料方面，有一家公司已经进入三星、海力士、美光等大厂供应链，且用量较大。此外，在EMC（环氧树脂）环节，有一家国内公司通过验证并准备进入大规模供货阶段，而另一家以L打头的供应商也伴随着其进入而进入了整个HM的供应链。同时，检测设备方面，SD这一家检测设备供应商也已参与到HM的产业环节中来。

问：武汉那家企业的HBM开发情况如何？

位于武汉的企业之前主要生产Flash存储芯片，现也在开发HBM。由于其在CS产品开发中积累了TSV工艺和封装工艺经验，具有一定的技术优势和经验积累，但目前发布的消息显示，其开发进度可能落后于C公司。不过，考虑到两者同步发布，也不排除其同步发布HBM产品的可能性。

问：第三家企业的HBM开发模式及进展如何？

第三家企业的开发模式类似于新N，与设备或材料厂家进行合作。该企业投资了2000亿人民币，预计明年年底之前能推出HM产品的形态。尽管消息闭塞，但可以预见其将通过合作模式推进技术研发，以期赶上HBM的发展步伐。

问：国内企业HBM开发情况如何？

目前，国内有三家公司在开发HBM产品，其中C打头的一家公司开发进度最快，预计在明年中旬左右能开发出HBM产品。这家公司的材料建设已完全OK，但技术角度上仍处于初期开发阶段，且由于制造工艺停留在D1Z（15.8纳米），相比美光等厂家的产品存在两代差距。不过，他们采取了将设计、制造、封测分离的合作模式，与深科技及三大厂合作，专门负责TSV麦克风面和公测，以便更快追赶技术发展。

问：HBM是否会替代GDDR在AI芯片中的应用？

理论上，HBM可以通过将GDDR颗粒与GPU封装在一起，用以替代部分HBM需求。但实际上，目前顶级的AI服务器如A100、H100等通常配备HPM，而一些中低端AI应用或简单模型训练场景可能采用GDDR方案。虽然未来有潜力出现GDDR替代HBM的应用场景，但目前大部分大模型AI服务器仍主要采用HBM。

GDDR和HBM的产品结构有何区别？

GDDR和HBM在产品结构上有相似之处，即GDDR也会在GPU芯片旁边放置多个颗粒，类似于HM旁边的ABM颗粒。不过，两者并非堆叠式设计，而是将多个GDDR颗粒并排放置在HM旁边。目前存在的散热和堆叠问题是限制HBM大规模量产的主要因素，但随着技术进步，如H4等型号的开发，可能会有新的解决方案。