顯卡新法寶 HBM顯存技術解析/前景展望

2023-06-29 21:50:18 2

    在2015年6月~9月期間，我們先後迎來了AMD Fury家族的三連發——Fury X、Fury以及R9 Nano，更新的架構、更多的流處理器、更好的DX12支持度讓它們的性能全面超越老旗艦R9 290X，成為新一代A卡領袖。而與這些相比，最吸引PC業界關注的在於HBM顯存的引用，在新技術的幫助下，Fury系列顯卡的顯存位寬達到了驚人的4096Bit，打破了人們對於DDR5上256/512Bit的認知量級，在顯存頻率僅需要1000MHz的條件下便可實現320GB/s的數據帶寬，從此讓這一參數不再成為影響顯卡性能發揮的因素。

    那麼HBM顯存的實現原理是什麼？除了增大位寬外它還具備哪些其他優勢呢？我們不妨在此時間點進行下系統梳理，讓大家能夠更好的了解這項新技術。

【HBM的實現方法？】

    上面這張是立體堆棧式顯存的概念圖，左邊是3D式堆棧，右邊則是2.5D式堆棧，兩者在原理上略有區別但最終目的一致，均是通過將顯存顆粒立體堆疊的方式取代傳統的平面延伸。這種做法最直接的好處讓「平房」進化為「樓房」，節約佔地面積的同時提供更多的居住空間，讓有限的PCB面板得到解放。

    目前以AMD、海力士、三星主導的HBM聯盟採用的是2.5D式封裝，以Intel、鎂光主導的HMC聯盟採用的是3D式封裝，兩者的不同之處在於前者的顯存顆粒與GPU核心水平放置，兩者通過中介層進行連接後在統一封裝，而後者則是將顯存與GPU直接堆疊在一起。筆者認為，3D顯存堆疊更適合高度集成化的SOC場景，而2.5D的技術難度相對更低一些，整體成本可以得到更好的控制，也更容易批量生產。

    【HBM的其他優勢？】

    除了節約PCB空間、更大的位寬之外，HBM的好處還不止於此。顯存顆粒之間、顯存與GPU之間的距離更短，這意味著信號可以更快的傳輸，延遲將有效降低，使得顯卡整體性能得到提升。

    另外在R9 Nano發布之後，筆者此前的另一個推測也得到了證實，當GPU核心與顯存顆粒被封裝到了一個大Die之後，顯卡整體的熱量「被」集中起來，此時的顯卡製造商無論是AMD還是下遊的AIB，在設計散熱時僅需要照顧這一小塊面積即可。R9 Nano正是這樣做的，單風扇配合一整塊散熱鰭片即可滿足溫控，相比較而言傳統顯卡板型則需要雙風扇甚至三風扇才能滿足，由此可見在HBM顯存普及之後，顯卡廠商的研發、成本壓力也會隨之降低。

    【前景展望】

    按照海力士以及AMD所公布的數據，HBM在作為顯存出現時可以提供8通道1024bit起跳的顯存位寬，搭配適當頻率顆粒（等效頻率在2000~3600MHz左右，約等於GDDR4的水平）時可以提供超過128GB/s，最大可至512GB/s的等效帶寬，在此基礎上還能實現40%的功耗下降。隨著工藝的成熟穩定，HBM所能夠帶來的帶寬數字可能會進一步提升至640GB/S甚至更高。

    目前AMD所使用的第一代HBM顯存可以提供4GB的顯存容量、4096Bit的位寬以及1000MHz的等效頻率，下一代HBM2則會成倍增長。有消息稱，AMD的下一代Arctic Islands（北極群島）顯卡將會擁有16GB的HBM2顯存，其帶寬將達到驚人的1TB/s。

除了AMD，另一大顯卡晶片製造商NVIDIA也向HBM伸出橄欖枝，計劃於明年的「Pascal」產品中使用HBM2顯存。不過有報導稱，AMD已經為關鍵的2.5D封裝樣式申請了專利，這也就意味著NV或花錢向AMD買授權，或開發自己的封裝工藝（比如3D），就目前來看，明年根本無法上二代HBM，也就是「Pascal」還將停留在GDDR5。對此，AMD的官方發言人Iain Bristow表示，AMD不會靠HBM攫取版稅，我們熱忱歡迎其他廠商使用Fury的技術，而且並沒有對它進行專利鎖死。AMD的做法可謂十分機智，即體現了大度，有巧妙迴避了技術壟斷的嫌疑。而對於廣大用戶和玩家而言，我們自然希望新技術得到迅速普及。至於明年的Pascal是否會採用HBM顯存，還有待進一步跟蹤報導。■