HBM：為GPU“喂數(shù)據(jù)”的超級高速公路

2025-11-06 15:13:14 32

一、引言：AI時代的“內(nèi)存革命”

在生成式AI、超算和高性能GPU的浪潮中，有一種看似低調(diào)卻決定算力上限的關(guān)鍵部件——HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬內(nèi)存）。

如果把GPU比作一臺擁有數(shù)萬氣缸的超高性能引擎，那么HBM就是為它提供燃料的“供油系統(tǒng)”。

油供不上，再好的引擎也只能空轉(zhuǎn)。HBM的使命，就是讓數(shù)據(jù)以“洪流”的速度流入GPU核心，而不是被“滴灌”。

二、HBM是什么：不是“芯片”，而是“系統(tǒng)級接口標(biāo)準(zhǔn)”

許多人以為HBM是一種新的內(nèi)存芯片，其實(shí)更準(zhǔn)確地說，HBM是一種定義了“如何讓DRAM以極高帶寬互連”的接口與封裝技術(shù)規(guī)范。

它不是在單顆芯片上堆性能，而是在“堆疊”和“互連”上下功夫。

一個完整的HBM模塊通常由：

多層垂直堆疊的 DRAM芯片（Die）（4層、8層、甚至12層）；
內(nèi)部貫穿每一層的 TSV（Through-Silicon Via，硅通孔）；
以及連接GPU與HBM的 中介層（Interposer） 共同組成。

HBM的核心思路是：讓數(shù)據(jù)在最短路徑內(nèi)穿越最多的并行通道。

傳統(tǒng)GDDR的思路是“跑得快”（高頻），HBM的思路是“路更多”（寬位寬）。結(jié)果是：單位時間傳輸量呈數(shù)量級提升。

三、GPU與HBM的關(guān)系：算力與供給的“饑餓游戲”

1. GPU的“胃口”

GPU（圖形處理器）天生是“并行怪獸”。

一顆如NVIDIA H100的GPU擁有18,432個CUDA核心，相當(dāng)于上萬個小計(jì)算單元同時吃數(shù)據(jù)。

但問題是，這些核心吃得太快。如果內(nèi)存送數(shù)據(jù)的速度跟不上，GPU就會“餓著”——

這就是所謂的內(nèi)存瓶頸（Memory Bottleneck）。

2. 帶寬的定義與瓶頸

內(nèi)存帶寬（Memory Bandwidth）表示單位時間內(nèi)內(nèi)存可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

計(jì)算公式：

帶寬（GB/s） = [總線位寬（bit） × 有效傳輸速率（GT/s）] ÷ 8

HBM的革命性突破在于：

位寬極寬
：每堆HBM的總線可達(dá)1024位甚至2048位；
傳輸頻率高
：每秒傳輸速率可達(dá)6.4GT/s以上；
距離極短、損耗極低
：得益于中介層互連。

結(jié)果就是：

HBM3E帶寬 ≈ 1.2 TB/s
GDDR6帶寬 ≈ 0.064 TB/s
也就是說，HBM的“供料速度”是GDDR的近20倍。

3. 為什么AI必須用HBM？

AI訓(xùn)練和推理（尤其是大型語言模型、圖像生成模型）涉及數(shù)百GB到數(shù)TB的數(shù)據(jù)流。

這些數(shù)據(jù)要在GPU與內(nèi)存之間不停來回傳遞：

參數(shù) → 激活值 → 梯度 → 更新。

如果帶寬不夠，GPU核心就像賽車堵在加油站門口——算力再強(qiáng)也沒法發(fā)揮。

HBM的高帶寬和低延遲正是為了解決這種“算力饑餓”。

四、HBM的結(jié)構(gòu)：從“平面走線”到“垂直通道”

1. 3D堆疊（Stack）

傳統(tǒng)DRAM是平鋪在PCB上的，而HBM將多顆DRAM芯片垂直堆疊，通過微凸塊（Microbump）層層互連。

這就像把存儲單元從“平面社區(qū)”變成“摩天大樓”，在相同面積下，容量和通道密度成倍增加。

2. 硅通孔（TSV）

每一層DRAM芯片內(nèi)部鉆出直徑僅5-10微米的通孔，填入銅或鎢等導(dǎo)電材料。

這些通孔就是信號、電源、地線的垂直“電梯井”。

它們實(shí)現(xiàn)：

最短互連路徑（僅50~100微米）；
最高互連密度（數(shù)萬通道）；
最低信號延遲與功耗。

換句話說，TSV讓“樓層之間的數(shù)據(jù)”以幾乎無延遲的方式直達(dá)。

這就是HBM得以實(shí)現(xiàn)“超寬總線位寬”的硬件根基。

3. 中介層（Interposer）

GPU與HBM堆棧并不是直接焊在PCB上，而是共同安裝在一塊中介層上。

中介層是一塊超高密度布線的硅基基板（或高端有機(jī)基板），線寬/線距可達(dá)1μm級。

它的作用：

承載GPU和HBM；
提供超密互連橋梁，在毫米級距離內(nèi)連接數(shù)千I/O信號；
保證信號完整性、低延遲、低功耗。

你可以把中介層想象成一塊“高架橋系統(tǒng)”，

GPU與HBM之間通過成千上萬條“微型高速公路”直連，信號幾乎不繞路、不打彎。

五、HBM的演進(jìn)：從1代到4代的“極限競速”

代別	典型帶寬（每堆）	數(shù)據(jù)速率	堆疊層數(shù)	狀態(tài)
HBM1	~128 GB/s	1 Gbps	4	已退役
HBM2	~256 GB/s	2 Gbps	8	主流
HBM2E	~460 GB/s	3.6 Gbps	8	AI訓(xùn)練主力
HBM3	~819 GB/s	6.4 Gbps	12	高端AI應(yīng)用
HBM3E	~1225 GB/s	9.2 Gbps	12	2024-2025量產(chǎn)
HBM4	>1500 GB/s	>12 Gbps	16（預(yù)期）	研發(fā)中