【德邦电子】HBM芯片：限制政策持续收紧，国产供应链有望深度受益

德邦证券研究 · 公众号 · · 2024-10-29 07:00

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Science & Technology

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HBM缓解内存墙问题，对AI产业至关重要

在高性能计算、数据中心、人工智能（AI）应用中，顶级高算力芯片的数据吞吐量峰值在数百TB/s级别，但主流DRAM 内存或显存带宽一般为几GB/s 到几十GB/s 量级，与TB/s 量级有较大差距， DRAM内存带宽成为制约计算机性能发展的重要瓶颈。较传统DDR，HBM具有高速及带宽、低功耗、小体积等特点，满足AI高性能动态存储需求。

海外限制政策或持续收紧

美国商务部已经分别于2022年10月7日和2023年10月17日对中国半导体进口进行了两次限制，限制方向主要集中在半导体设备和先进芯片。按照此前惯例，我们认为美国商务部近期可能在半导体领域继续扩大管制范围，其中HBM可能是其新的发力方向。

HBM的关键在于先进封装

HBM上部分由多层DRAM堆叠组成，不同DRAM芯片之间以及DRAM和逻辑芯片之间利用TSV（硅通孔）和微凸块（Micro bump）实现通道连接。其中TSV的制备工艺分为三类：Via First、Via Middle和Via Last。以Via First为例，相关工艺包括TSV制备-CMP（化学机械平坦化）-FEOL（IC前道工序）-Thinning（减薄）-BEOL（IC后道工序）；Bump工艺方面，凸块间距尺寸（Bump Pitch）越小，意味着凸块密度越大，封装集成度越高，相对工艺难度越大。当凸块间距超过20μm，内部互连技术采用基于热压键合（TCB）的微凸块连接技术；而未来HCB（混合铜对铜连接）则能实现更小凸块间距（10μm以下）和更高的凸块密度，并带动带宽和功耗双双提升。

HBM需求增长，国产供应链有望深度受益

随着AI技术持续发展，主流GPU芯片的HBM用量提升，英伟达最新发布的B100和B200内存达到192GB，使用8颗HBM3E。国内HBM相关产业也在快速发展，据Trendforce报道，国内存储厂商武汉新芯（XMC）和长鑫存储（CXMT）正处于HBM制造的早期阶段，目标2026年量产，根据武汉新芯招股说明书（申报稿），公司12英寸集成电路制造生产线三期项目计划建设一条规划产能5.0万片/月的12英寸特色工艺晶圆生产线，其中三维集成业务相关产能合计4.0万片/月。同时国内厂商的扩产也将持续利好国内半导体设备和半导体材料厂商。

风险提示

中美贸易摩擦带来的供应链风险、宏观经济变化及行业景气度不及预期、行业政策变化。

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HBM 对AI产业至关重要，预计成为新的制裁方向

1.1. HBM缓解内存墙问题， 对AI产业至关重要

“存”与“算”失调，内存墙问题亟待解决。绝大多数现代计算机都是基于冯·诺依曼结构建造的。该结构需要CPU从存储器取出指令和数据进行相应的计算。这种“存算分离”结构导致“内存墙”产生：与内存的整体存储容量相比，处理器与内存之间的数据交换量太小。在高性能计算、数据中心、人工智能（AI）应用中，顶级高算力芯片的数据吞吐量峰值在数百TB/s 级别，但主流DRAM 内存或显存带宽一般为几GB/s 到几十GB/s 量级，与TB/s 量级有较大差距， DRAM内存带宽成为制约计算机性能发展的重要瓶颈。而且当数据频繁搬运，在存储、计算之间来回转移时，还会导致严重的功耗损失：据英特尔的研究表明，当半导体工艺达到 7nm 时，数据搬运功耗高达 35pJ/bit，占总功耗的63.7%。打破内存墙或推动数据科学实现创新：根据《AI and Memory Wall》（Amir Gholami et al.），每当GPU内存容量增加时，数据科学家便有机会设计更新模型。

较传统 DDR ， HBM 高带宽性质打破内存墙，满足 AI 高性能动态存储需求。

1）高速及带宽：虽然HBM2E和HBM3单引脚最大I/O速度不如GDDR5，但HBM的堆栈方式可以通过更多的I/O数量提供远高于GDDR5 存储器的总带宽。如HBM2（1024）带宽可以达到307 GB/s，而GDDR5 存储器（32）的带宽仅为28 GB/s。

2）低功耗: 由于采用了TSV 和微凸块技术，DRAM 裸片与处理器间实现了较短的信号传输路径以及较低的单引脚I/O 速度和I/O 电压，使HBM 具备更好的内存功耗能效特性，相比传统GDDR5存储器，HBM2的单引脚I/O带宽功耗比数值降低42%。

3）小体积：HBM 将原本在PCB 板上的DDR 内存颗粒和CPU 芯片一起全部集成到SiP里，因此HBM在节省产品空间方面也更具优势，相比于GDDR5存储器，HBM2能节省94%的芯片面积

1.2. 限制政策持续收紧，HBM可能成为新的制裁方向

美国商务部已经分别于2022年10月7日和2023年10月17日对中国半导体进口进行了两次限制，限制方向主要集中在半导体设备和先进芯片。

第一阶段，切断先进芯片和先进半导体设备供应： 2022年10月7日，美国商务部新增四项ECCN编码到商业管制清单，并对相关内容进行修订，其中3B090包含广泛的半导体制造设备及相关物项；3A090包含特定先进制程集成电路，其中当时英伟达热卖的A100芯片精准落入限制范围。

第二阶段，扩大管制范围，替代版供应也受限： 2023年10月17日，美国商务部发布新的管制规则，如果芯片超过ECCN 3A090 中标定的两个参数，3A090.a（“总处理性能”）和3A090.b（“性能密度”）之一，出口就会受到限制。新规则实际扩大了管制范围，A800和H800也被纳入出口管制范围。此外英伟达其他产品也受到了影响，包括推理领域的L40、L40S和消费领域的RTX4090。

按照此前惯例，我们认为美国商务部近期可能在半导体领域继续扩大管制范围，其中HBM可能是其新的发力方向，根据彭博社7月31日(当地时间)报道，美国最早将于下月末公开的对华半导体追加控制措施，可能包括禁止美光科技、三星电子、SK海力士向中国企业供应高带宽存储器(HBM)。

国内HBM自主可控，先进封装是关键

【德邦电子】HBM芯片：限制政策持续收紧，国产供应链有望深度受益

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