AI國(guó)力戰(zhàn)爭(zhēng)：GPU是明線，HBM是暗線

作者|啟新 來(lái)源|錦緞(ID：jinduan006)

2022年6月，我們率市場(chǎng)之先，提出“”的觀點(diǎn)。時(shí)至今日，這個(gè)論點(diǎn)已經(jīng)沒有太多的爭(zhēng)議。

隨著英偉達(dá)在最新的財(cái)報(bào)會(huì)議中明示，不同的國(guó)家都在嘗試建立屬于自己的AI算力，這一暗流下的激烈角逐已經(jīng)完全走向臺(tái)前。

在這一場(chǎng)國(guó)家級(jí)、企業(yè)巨頭之間的競(jìng)爭(zhēng)中，站在最前排的就是大模型和大模型的算力發(fā)動(dòng)機(jī)GPU。

但在更為隱秘的戰(zhàn)場(chǎng)，HBM（高帶寬內(nèi)存）顯然是基本被忽視的關(guān)鍵一環(huán)。

01

大模型和GPU是明戰(zhàn)，HBM則是暗戰(zhàn)

如果因循最基本的原則，從AI算力出發(fā)，我們知道制約單芯片能力的最大瓶頸有三個(gè)，分別是：GPU、先進(jìn)制程（含CoWoS先進(jìn)封裝），以及HBM。

其中GPU和先進(jìn)制程是一體兩面的關(guān)系，優(yōu)秀GPU企業(yè)如英偉達(dá)設(shè)計(jì)出來(lái)GPU之后，還需要利用臺(tái)積電的先進(jìn)制程進(jìn)行制造，再利用臺(tái)積電、日月光的先進(jìn)封裝技術(shù)CoWoS進(jìn)行最后的合封，這一點(diǎn)在2023年CoWoS產(chǎn)能奇缺的時(shí)候，已被市場(chǎng)刨根問(wèn)底。

而在同一顆AI芯片上的顯存顆粒模組HBM，作為與先進(jìn)制程同等重要的存在，但到的關(guān)注顯然不夠。這一產(chǎn)品基本完全被韓國(guó)的海力士和三星壟斷，合計(jì)占市場(chǎng)份額的90%以上，絲毫不比GPU和CoWoS競(jìng)爭(zhēng)格局差，而高度壟斷，在這逆全球化的背景下，隱含的就是高供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。

HBM也是AI芯片中占比最高的部分，根據(jù)外媒的拆解，H100的成本接近3000美元，而其中占比最高的是來(lái)自海力士的HBM，總計(jì)達(dá)到2000美元左右，超過(guò)制造和封裝，成為成本中最大的單一占比項(xiàng)。

雖然HBM非常昂貴，但隨著AI基礎(chǔ)算力需求的大爆發(fā)，草根調(diào)研顯示當(dāng)前HBM仍是一芯難求，海力士和三星2024年所有的產(chǎn)能都已經(jīng)完全被預(yù)定，行業(yè)的供需失衡可能在2025年也仍無(wú)法得到有效的緩解?？赡軓?qiáng)如英偉達(dá)，也需要思考自己的HBM供應(yīng)鏈?zhǔn)欠褡銐虬踩?/p>

這一重大的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，自然也被存儲(chǔ)芯片大國(guó)韓國(guó)了如指掌。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的醞釀，2024年初，韓國(guó)企劃財(cái)政部正式公布了《2023年稅法修正案后續(xù)執(zhí)行規(guī)則修正案草案》，將HBM等技術(shù)指定為國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大稅收支持，在這一法案的支持下，三星電子、SK海力士等中大型企業(yè)可享受高達(dá)30%至40%的減免。

考慮到韓國(guó)的大企業(yè)所得稅一般在25%，這么大力度的減免，相當(dāng)于給了韓國(guó)的HBM產(chǎn)品直接額外賦予了接近10%的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前韓國(guó)的存儲(chǔ)芯片企業(yè)海力士和三星，在HBM產(chǎn)品的產(chǎn)能和技術(shù)上，本來(lái)就處于斷檔式領(lǐng)先，即使其他追趕者能夠做出來(lái)產(chǎn)品，考慮到海力士和三星天然的價(jià)格屠夫的歷史形象，這將使得追趕者大概率始終陷入技術(shù)落后、價(jià)格高企的惡性循環(huán)中。

當(dāng)然，韓國(guó)目前仍然是小大小鬧，還暫時(shí)沒有將HBM出口進(jìn)行管制，或者進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)限制。但是翻看最近的歷史，我們不得不對(duì)此事提起十二分的關(guān)注。

如果未來(lái)對(duì)HBM的限制變嚴(yán)格，那么就意味著我國(guó)在AI算力的三要素—先進(jìn)制程、GPU和HBM—中，將陷入全方位的被動(dòng)局面。

所以我們才說(shuō)，上一輪最值得關(guān)注HBM的時(shí)間是十年前它被發(fā)明的時(shí)候，其次就是現(xiàn)在。

02

HBM的昨天、今天和明天

1.一種特殊類型的存儲(chǔ)芯片，可以理解為DRAM的3D版本

存儲(chǔ)芯片是最大的芯片品種。為了滿足不同場(chǎng)景的存儲(chǔ)要求，又被進(jìn)一步的分為SRAM、DRAM、NAND、NOR等等，其中市場(chǎng)空間最大最為重要的是DRAM和NAND，也就是業(yè)內(nèi)人士常說(shuō)的大宗品存儲(chǔ)，全球的市場(chǎng)空間都是接近1000億美元。

DRAM對(duì)智能設(shè)備的運(yùn)行速度起到與主控芯片一樣的決定性作用，對(duì)于普通消費(fèi)者都能接觸到的手機(jī)為例，主控芯片和內(nèi)存（即移動(dòng)端LPDDR DRAM）就是最重要的兩顆芯片。HBM，正是DRAM中的一個(gè)分支品種，主打高性能。

根據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)的定義，DRAM可以分為三種：1）主要用在電腦、服務(wù)器中的標(biāo)準(zhǔn)DDR，也就是常說(shuō)的內(nèi)存條；2）手機(jī)和汽車等移動(dòng)終端領(lǐng)域的LPDDR系列；3）用在數(shù)據(jù)密集型場(chǎng)景的圖形類DDR，HBM正是在這一分類下。

所以，HBM是脫胎于普通的DRAM的升級(jí)產(chǎn)品，基于3D堆棧工藝（使用TSV技術(shù)將多個(gè)DRAM芯片堆疊起來(lái)，在增加帶寬的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)芯片間的高速通信和低功耗），可以實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存帶寬和更低的能耗，。

2023年之前，雖然上述三種DRAM產(chǎn)品中，HBM在傳輸速度、容量和功耗方面都具備明顯的優(yōu)勢(shì)，但高于普通DRAM數(shù)倍的價(jià)格，使得對(duì)HBM需求一直都是名氣沒輸過(guò)、銷售沒贏過(guò)的尷尬存在。

圖：存儲(chǔ)芯片DRAM進(jìn)一步分類，方正證券

但AI大模型的出現(xiàn)，使得HBM找到完美的應(yīng)用場(chǎng)景。

眾所周知，大模型的智力涌現(xiàn)，依托于Scaling laws指導(dǎo)下的大力出奇跡，大模型對(duì)數(shù)據(jù)量和算力有著近乎無(wú)上限的需求，而算力的發(fā)動(dòng)機(jī)GPU和存儲(chǔ)池HBM，意外成為最大的受益者。

傳統(tǒng)帶寬的標(biāo)準(zhǔn)類DDR DRAM和移動(dòng)類LPDDR DRAM顯然已經(jīng)完全無(wú)法滿足AI芯片的需求，而立體堆疊的HBM，它相對(duì)普通的內(nèi)存帶寬可以提升數(shù)倍，而功耗反而更低，卻完美契合大模型的要求。

所以我們可以看到，在AI場(chǎng)景中，英偉達(dá)的GPU芯片不再是單獨(dú)售賣：從流程上，英偉達(dá)首先設(shè)計(jì)完GPU，然后采購(gòu)海力士的HBM，最后交由臺(tái)積電利用CoWoS封裝技術(shù)將GPU和HBM封裝到一張片子上，最終交付給AI服務(wù)器廠商。最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正如海力士的宣傳材料展示的一樣。

可以說(shuō)，英偉達(dá)、臺(tái)積電、海力士，這三家公司共同構(gòu)成了全球AI算力基座的鐵三角。

2.AI爆發(fā)帶來(lái)巨大的增長(zhǎng)空間

從配角到主角的HBM，也隨著AI的爆發(fā)也迎來(lái)屬于自己的廣闊舞臺(tái)。

在AI沒有爆發(fā)之前，市場(chǎng)預(yù)測(cè)全球HBM將平穩(wěn)增長(zhǎng)至一個(gè)100億美元的市場(chǎng)。但是隨著2023年大模型的橫空出世，HBM的市場(chǎng)中樞預(yù)測(cè)被快速拔高。

根據(jù)市場(chǎng)機(jī)構(gòu)測(cè)算，2023年HBM市場(chǎng)規(guī)模為40億美元，預(yù)計(jì)2024年增長(zhǎng)至150億美元，到2026年增長(zhǎng)至接近250億美元，年復(fù)合增速高達(dá)80%以上。這一測(cè)算也與海力士的估算匹配上，2023年11月，海力士CEO表示，預(yù)計(jì)到2030年，海力士每年HBM出貨量將達(dá)到1億顆，隱含產(chǎn)值規(guī)模將接近300億美元，假設(shè)屆時(shí)海力士市場(chǎng)份額為50%，則整個(gè)市場(chǎng)空間將在500億美元左右。

屆時(shí)，HBM將從配角，正式成為存儲(chǔ)芯片中最搶眼的主角。

圖：全球HBM市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（AI浪潮之前），方正證券

3.科技巨頭的縮圈游戲

與AI算力中的其他要素一樣，HBM是一個(gè)科技難度極高的產(chǎn)品，典型特征是重資本投入和高技術(shù)含量。

做HBM，首先就要求芯片企業(yè)能做出一流的DRAM，然后在這個(gè)DRAM芯粒的基數(shù)上做3D的堆疊。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)，DRAM已經(jīng)有極高的技術(shù)門檻，其制程已經(jīng)微縮到極限，雖然叫法上略有不同，但整體與邏輯芯片差別不大，最先進(jìn)的DRAM都離不開EUV光刻機(jī)的加持；同時(shí)還非常燒錢，投資金額極高，海力士每年資本開支超百億美元。所以，當(dāng)前DRAM已經(jīng)基本被韓國(guó)三星、海力士以及美國(guó)美光所壟斷。

而從DRAM到HBM，拋開更高的資本開支不談，還新增三大工藝難點(diǎn)：分別是TSV、MR-MUF、混合鍵合Hybrid Bonding。比如TSV技術(shù)，在維持較低的單I/O數(shù)據(jù)速率的情況下大幅提升了位寬進(jìn)而獲得了遠(yuǎn)優(yōu)于GDDR的總帶寬表現(xiàn)。本文不就技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行展開，這一難度就相當(dāng)從2D電影進(jìn)階到3D電影，完全是另一個(gè)維度的競(jìng)爭(zhēng)。

直接衡量大家技術(shù)水平的，簡(jiǎn)單可以看堆疊層數(shù)。根據(jù)了解到的最新行業(yè)動(dòng)態(tài)：為配套英偉達(dá)最新的H200，2024年下半年三大存儲(chǔ)廠將推出36GB版本的HBM3e或?yàn)?2層堆疊。

對(duì)于追趕者而言，靶子已經(jīng)固定在那兒，只是難度著實(shí)不小。

03

HBM背后的國(guó)力之爭(zhēng)

我們判斷，從2024年起，HBM將繼GPU之后成為各個(gè)國(guó)家在算力競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

毫無(wú)疑問(wèn)，目前韓國(guó)海力士和三星遙遙領(lǐng)先。哪怕美國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域也是落后的，他們本土的代表性公司美光科技已奮起直追。而中國(guó)國(guó)內(nèi)的大宗存儲(chǔ)尚處在追趕狀態(tài)，所以HBM的落后自然也就更多，也更為急迫。

1.韓國(guó)雙子星閃耀：海力士的不放棄功不可沒

前文提到，HBM是基于DRAM的3D形態(tài)，而DRAM的全球霸主三星卻在HBM這一細(xì)分品類上處于落后狀態(tài)，而海力士卻是壟斷者的存在，這得益于公司對(duì)HBM技術(shù)的不離不棄。

早在10年前的2013年，海力士就首次制造出HBM，并被行業(yè)協(xié)會(huì)采納為標(biāo)準(zhǔn)。2015年，AMD成為第一個(gè)使用HBM的客戶。但在此之后，HBM由于價(jià)格高昂，下游根本不買單，甚至一度被認(rèn)為是點(diǎn)錯(cuò)了科技樹。

但海力士死磕這個(gè)方向，并沒有放棄。在2015-2022年，雖然并沒有什么突出客戶，海力士仍然對(duì)HBM產(chǎn)品進(jìn)行了多達(dá)3次技術(shù)升級(jí)，絲毫不像對(duì)待一個(gè)邊緣產(chǎn)品的待遇。

圖：海力士HBM產(chǎn)品roadmap，公司路演資料

最終，憑借著2023年至今的AI浪潮，海力士的HBM一芯難求，從無(wú)人問(wèn)津到一飛沖天，10年的堅(jiān)守終于換了回報(bào)。在低迷的韓國(guó)股市中，海力士股價(jià)也一騎絕塵，實(shí)現(xiàn)翻倍，成為跟上全球AI浪潮的唯一一家韓國(guó)公司。

另一方面，內(nèi)存領(lǐng)域的霸主三星，得益于在DRAM上的深厚積累，以及并不落后的技術(shù)儲(chǔ)備，迅速崛起成為HBM排名第二的玩家。

2016年三星開始大規(guī)模量產(chǎn)HBM。落后于海力士3年；而根據(jù)公司最新進(jìn)展，三星已經(jīng)于2023年實(shí)現(xiàn)了HBM3的量產(chǎn)出貨，而將在今年上半年推出HBM3E，而且規(guī)劃2025年實(shí)現(xiàn)HBM4的量產(chǎn)。根據(jù)這一規(guī)劃，三星與海力士的差距已經(jīng)縮小到半年左右，而差距有望于2025年被完全消弭。

三星除了有DRAM的底氣之外，由于HBM當(dāng)中包含部分邏輯芯片的電路，因此三星電子依托于自有的邏輯晶圓廠，確實(shí)具備彎道超車的比較優(yōu)勢(shì)。而且同為韓國(guó)公司，直接挖相關(guān)人才也更為容易。

毫無(wú)疑問(wèn)，在HBM領(lǐng)域起了個(gè)大早的韓國(guó)，也絲毫沒有放松，還在朝前一路狂奔。

2.美國(guó)獨(dú)苗苦苦支撐，但猶可追

美國(guó)公司在HBM的競(jìng)賽中落后似乎是命中注定的。由于存儲(chǔ)芯片行業(yè)周期性極強(qiáng)，資本開支又是無(wú)底洞，已經(jīng)逐漸被美國(guó)企業(yè)放棄，比如當(dāng)年的存儲(chǔ)芯片龍頭英特爾早已完全退出存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)，轉(zhuǎn)而增加了對(duì)韓國(guó)的依賴。

好在美國(guó)還剩最后的獨(dú)苗美光科技。在存儲(chǔ)這個(gè)刺刀見紅的嗜血賽道上，它的生存之道是“茍住”。為了避免出現(xiàn)重大損失，美光一直在研發(fā)策略上堅(jiān)持不做首發(fā)者，而更傾向于采取跟隨戰(zhàn)術(shù)，這樣能夠避免高昂的研發(fā)投入和可能打水漂的資本開支。

美光開始研發(fā)HBM的時(shí)間相對(duì)較晚，現(xiàn)在主流的HBM3上，美光的進(jìn)度較海力士和三星落后半年以上。半年差距看似不大，但在AI硬件軍備競(jìng)賽中，時(shí)間就是生命，大家為了保證大模型的領(lǐng)先，都爭(zhēng)相上最先進(jìn)的算力產(chǎn)品，用最新的卡、最大帶寬的光模塊和最優(yōu)質(zhì)的HBM，因此晚半年推出，就代表著整個(gè)市場(chǎng)的錯(cuò)失，所以美光在HBM的份額低到只有個(gè)位數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)彎道超車，美光已經(jīng)開始挖海力士和三星的核心人才，同時(shí)開啟多代產(chǎn)品的并行研發(fā)。公司放衛(wèi)星的表示，將在2024年年底實(shí)現(xiàn)HBM3E的量產(chǎn)，如果屆時(shí)完成，將使得其與韓國(guó)巨頭的技術(shù)差距明顯縮小。此外，公司規(guī)劃在2028年量產(chǎn)HBM4E ，將每個(gè)堆棧的容量提升到 48GB 至 64GB。

3.中國(guó)突圍路在何方？

美國(guó)尚存獨(dú)苗，中國(guó)的HBM行業(yè)尚處0到1的階段，要補(bǔ)的課更多。

目前，中國(guó)企業(yè)在HBM產(chǎn)業(yè)鏈上的存在感甚至還要落后于先進(jìn)制程與GPU。如果說(shuō)GPU只是人優(yōu)我差的問(wèn)題，HBM則是人有我無(wú)的問(wèn)題。

雖然A股已經(jīng)對(duì)HBM進(jìn)行了一輪又一輪的炒作，但不得不承認(rèn)的客觀現(xiàn)實(shí)是，國(guó)內(nèi)到現(xiàn)在無(wú)法量產(chǎn)HBM，這成為國(guó)內(nèi)自研AI芯片的重大隱憂，因?yàn)镚PU需要和HBM利用CoWoS工藝封裝在一起，國(guó)產(chǎn)的GPU和CoWoS工藝都已經(jīng)解決了有沒有的問(wèn)題，已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)爆發(fā)階段，而HBM還遙遙無(wú)期。

不同于境外市場(chǎng)要么押注龍頭海力士，要么押注能追趕上的美光，這種簡(jiǎn)單的選擇題。A股對(duì)HBM的投資邏輯演化成兩條：

國(guó)產(chǎn)HBM正處于0到1的突破期；考慮到海外的貿(mào)易保護(hù)主義抬頭，可能靠自己是一條不得不走的路只能靠我們自己。

時(shí)間就是生命，但由于在DRAM領(lǐng)域的落后，一家企業(yè)去主導(dǎo)HBM的突破顯得更加困難。從產(chǎn)業(yè)鏈合力的角度，更有望突破，HBM顯然需要存儲(chǔ)廠、晶圓代工廠、封測(cè)廠的通力合作。根據(jù)最新的產(chǎn)業(yè)信息，到2026年我國(guó)將具備量產(chǎn)HBM的能力，但這一速度顯然還是有點(diǎn)跟不上日新月異的大模型需求。

也就是說(shuō)，現(xiàn)在，留給HBM中國(guó)隊(duì)的時(shí)間唯“緊迫”二字。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：錦緞(ID：jinduan006)，作者：?jiǎn)⑿?nbsp;