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今年8月初，外界曾报道，美国考虑最快于8月下旬出台对华半导体限制新规，限制中国取得AI芯片所需的HBM芯片和制造HBM芯片所需的制造设备。
新的规则主要限制HBM2和HBM3、HBM3e等更先进的HBM芯片，以及制造这些HBM芯片所需的设备的出口。
目前SK海力士、美光和SAMSUNG是全球主要的三家HBM供应商，考虑到中国政府早于2023年就限制了美光芯片在关键基础设施中的应用，其受到限制基本不会造成影响。但SAMSUNG、SK海力士等韩国企业可能会因为依赖于美国EDA厂商Synopsys、Cadence的设计App，以及美国半导体设备大厂应用材料的半导体设备，因而受到新规限制。
虽然该新规暂时未落地，但却如一把达摩克里斯之剑始终悬在中国AI芯片产业之上。倘若其真的落下，国产HBM企业是否有能力及时填补空白？
01
价值量极高，海外巨头你追我赶
HBM通过使用先进封装（如TSV硅通孔）将多个DRAM芯片进行堆叠，突破了内存容量与带宽瓶颈，打破了内存墙对算力提升的桎梏，在AI大模型千亿、万亿的参数规模面前，搭载HBM几乎是GPU的必然选择。
根据外界拆解，英伟达H100成本接近3000美金，其中占比最高的便是SK海力士的HBM，凭借2000美金左右的成本直接超过制造和封装，价值量极高。
首款硅通孔HBM产品HBM1直到2014年面世，由AMD与SK海力士联合推出，其独特架构提供128GB/s带宽和4GB内存，远超竞品GDDR5。
HBM一面世就被认定为未来显存的发展方向，巨头们很快就在这方面开始了竞赛。
2016年，SAMSUNG宣布量产4GB HBM2 DRAM和生产8GB HBM2 DRAM。2017年下半年，被SAMSUNG赶超的SK海力士开始量产HBM2。2018年，SAMSUNG宣布开始量产第二代8GB HBM2。
2019年8月，SK海力士宣布成功研发出新一代“HBM2E”。2020年2月，SAMSUNG也正式宣布推出其16GB HBM2E产品，并于2020年上半年开始量产。同年，另一家存储巨头美光宣布加入到这一赛场中来，推出了HBM2产品。
到2023年，市场中主要应用的是HBM2、HBM2E和HBM3。而随后在英伟达H100和AMD MI300的推动下，HBM3渗透率不断提升。目前，第4代HBM3已规模量产并应用，带宽、堆叠高度、容量、I/O速率等较初代均有多倍提升，适配了AI服务器的强劲需求。
到2024年，三大储存原厂已经相继实现8层HBM3E的量产工作，其中SK海力士和美光的产品实现了向英伟达的供货。
在聚焦HBM3E的迭代工作的同时，HBM4的研发也提上了巨头们的日程。SK 海力士将与台积电合作开发，计划于2025年完成HBM4的开发，最早于2026年推出HBM4E。SAMSUNG在ISSCC 2024 上公布了HBM4的研究成果，计划于2025年推出。美光则打算2026 年发布HBM4产品，2028年推出HBM4E产品。
02
产量供不应求，替代重要性加剧
当前，HBM只有SK海力士、SAMSUNG电子和美光三大存储巨头能够量产，因而市场呈现“三分天下”的局面。据Trend Force数据，2023年SK海力士占据53%的市场份额，SAMSUNG电子占据38%，美光占据9%。
目前全球HBM产能主要用于满足英伟达和AMD的AI芯片需求。
SK海力士高管5月初就宣布，企业HBM今年已经全部售罄，明年也基本售罄。SAMSUNGHBM3E虽然迟迟没有通过英伟达的验证，但也与AMD签署4万亿韩元的HBM3E供货协议。美光的高管则表示HBM产能今年已经全部售罄，其中向英伟达H200供应的HBM3E排到明年的订单已占用大部分明年可供货源。
受如此火热的需求推动，SK海力士、SAMSUNG和美光正加大产能扩张力度。SAMSUNG和SK海力士已经将超过20%的DRAM生产线转换成HBM生产线。
SK海力士表示计划斥资146亿美金在韩国构建新的存储芯片产能，扩大包括HBM在内的下一代DRAM的产能，以应对快速增长的AI需求。4月初还宣布将斥资38.7亿美金在印第安纳州西拉斐特市建立一座先进封装厂和人工智能产品研发中心，预计2030年企业HBM出货量达每年一亿颗。
SAMSUNG电子同样在建设新的HBM封装线，总投资额将达到7000-10000亿韩元，预计在新的封装线上大规模生产HBM，并且正在投入量产8层、12层的HBM3产品。企业预计2024年HBM产能将增至2023年的2.9倍，2026年产能增至13.8倍，2028年产能一步上升至23.1倍。
美光则是在2024年中宣布，计划在一年后将其HBM市场份额从目前的“中个位数”提高到 20% 左右。虽然目前尚未透露有关如何扩大 HBM 生产能力的更多细节，但可以想象想在如此迅速扩大的蛋糕中挤占龙头地市场份额，需要付出多大的成本。
基于此，HBM 供给产能整体将在2024、2025年进入扩产时期，25年供给量有望达23.7亿 GB，整体市场规模有望达到355亿美金，一定程度缓解HBM供给紧张状况。
但需求量也在翻倍增长，2025年需求量有望达208亿GB，整体市场规模有望达 311亿美金。考虑HBM与GPU出货的时间差与GPU厂商的HBM库存建立，即使原厂大规模扩产，HBM 在未来仍将长期处于供不应求态势。
而随着国际形势动荡，各个领域的自主可控重要性都在愈发紧迫，HBM作为人工智能必不可少的一环，国产替代紧迫性更大。
03
国产替代，挑战与机遇并存
在国际竞争背景下，人工智能已经不止是商业角逐，而是战略对抗。虽然美国对中国HBM芯片及制造设备的制裁还未正式出台，但显然这只是时间早晚问题。
无论是相关政策制裁还是供不应求的客观环境，都倒逼国产HBM企业及时填补这块空缺。从当前阶段看，本土企业还处于从0到1的艰难起步期。
HBM行业门槛极高。想做HBM，首先就要求企业能做出一流的DRAM，在此基数上再做3D堆叠。本身经过几十年的发展，DRAM的技术门槛和先进制程要求已经非常高，离不开EUV光刻机的加持。
而从DRAM到HBM，还要翻过TSV技术、堆叠键合工艺等大山。
目前国内储存厂商的攻克重点放在了HBM2，其中进展最快的是国产存储龙头长鑫存储。据外界报道，已有长鑫存储与封测大厂通富微电已合作开发了HBM2样品，并向潜在客户展示了样品。
长江存储集团麾下的武汉新芯也在着力追赶。在TSV技术、混合键合技术Hybrid Bonding、晶圆堆叠技术的基础上，企业于2024年2月启动建设HBM产线建设，目标月产能分别为12英寸晶圆3000片。
HBM封测上，通富微电、长电科技、盛合晶微等一线封装厂商拥有支撑HBM生产的技术（如TSV硅通孔）和设备。
通富微电是国内首家完成基于TSV技术的3D DRAM封装开发的封测厂，目前正在兴建南通通富工厂三期工程并预计该先进封装生产线建成后，将成为国内最先进的2.5D/3D先进封装研发及量产基地，实现国内在HBM高性能封装技术领域的突破。
长电科技则专为HBM设计了XDFOI高密度扇出型封装解决方案，覆盖了当前市场上的主流2.5D Chiplet方案并实现了量产。
也有部分企业选择融入全球HBM产业链，成为上游供应链的一员，这些成员主要包括做材料、代销和封测的企业，如雅克科技、神工股份、太极实业、香农芯创等等。
但进入HBM3阶段，由于芯片含有美国限制的技术，包括HUAWEI在内的诸多中国企业都被禁止使用，因此国内企业仍需长时间自研才能实现突破。
04
结语
国产AI算力想要实现重大突破，始终面临着三大难题：先进制程产能、CoWoS封装与HBM。
但纵观整个HBM产业链，能入局的本土企业屈指可数，尚未有中国企业能够量产HBM芯片来加速AI计算，大部分市场份额仍被美光、SAMSUNG和SK海力士垄断。
尤其是随着国产AI处理器的水平提升，厂商对配套的自主HBM供应链需求也越发紧迫。
面对愈发膨胀的高价值量需求，谁能先一步打出自身特色、实现成果转化，同时考验着各家的研发进度和战略预判。
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发表于 2024-11-26 14:52:03