HBM：为GPU“喂数据”的超级高速公路

2025-11-06 15:13:14 47

一、引言：AI时代的“内存革命”

在生成式AI、超算和高性能GPU的浪潮中，有一种看似低调却决定算力上限的关键部件——HBM（High Bandwidth Memory，高带宽内存）。

如果把GPU比作一台拥有数万气缸的超高性能引擎，那么HBM就是为它提供燃料的“供油系统”。

油供不上，再好的引擎也只能空转。HBM的使命，就是让数据以“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“系统级接口标准”

许多人以为HBM是一种新的内存芯片，其实更准确地说，HBM是一种定义了“如何让DRAM以极高带宽互连”的接口与封装技术规范。

它不是在单颗芯片上堆性能，而是在“堆叠”和“互连”上下功夫。

一个完整的HBM模块通常由：

多层垂直堆叠的 DRAM芯片（Die）（4层、8层、甚至12层）；
内部贯穿每一层的 TSV（Through-Silicon Via，硅通孔）；
以及连接GPU与HBM的 中介层（Interposer） 共同组成。

HBM的核心思路是：让数据在最短路径内穿越最多的并行通道。

传统GDDR的思路是“跑得快”（高频），HBM的思路是“路更多”（宽位宽）。结果是：单位时间传输量呈数量级提升。

三、GPU与HBM的关系：算力与供给的“饥饿游戏”

1. GPU的“胃口”

GPU（图形处理器）天生是“并行怪兽”。

一颗如NVIDIA H100的GPU拥有18,432个CUDA核心，相当于上万个小计算单元同时吃数据。

但问题是，这些核心吃得太快。如果内存送数据的速度跟不上，GPU就会“饿着”——

这就是所谓的内存瓶颈（Memory Bottleneck）。

2. 带宽的定义与瓶颈

内存带宽（Memory Bandwidth）表示单位时间内内存可传输的数据量。

计算公式：

带宽（GB/s） = [总线位宽（bit） × 有效传输速率（GT/s）] ÷ 8

HBM的革命性突破在于：

位宽极宽
：每堆HBM的总线可达1024位甚至2048位；
传输频率高
：每秒传输速率可达6.4GT/s以上；
距离极短、损耗极低
：得益于中介层互连。

结果就是：

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

3. 为什么AI必须用HBM？

AI训练和推理（尤其是大型语言模型、图像生成模型）涉及数百GB到数TB的数据流。

这些数据要在GPU与内存之间不停来回传递：

参数 → 激活值 → 梯度 → 更新。

如果带宽不够，GPU核心就像赛车堵在加油站门口——算力再强也没法发挥。

HBM的高带宽和低延迟正是为了解决这种“算力饥饿”。

四、HBM的结构：从“平面走线”到“垂直通道”

1. 3D堆叠（Stack）

传统DRAM是平铺在PCB上的，而HBM将多颗DRAM芯片垂直堆叠，通过微凸块（Microbump）层层互连。

这就像把存储单元从“平面社区”变成“摩天大楼”，在相同面积下，容量和通道密度成倍增加。

2. 硅通孔（TSV）

每一层DRAM芯片内部钻出直径仅5-10微米的通孔，填入铜或钨等导电材料。

这些通孔就是信号、电源、地线的垂直“电梯井”。

它们实现：

最短互连路径（仅50~100微米）；
最高互连密度（数万通道）；
最低信号延迟与功耗。

换句话说，TSV让“楼层之间的数据”以几乎无延迟的方式直达。

这就是HBM得以实现“超宽总线位宽”的硬件根基。

3. 中介层（Interposer）

GPU与HBM堆栈并不是直接焊在PCB上，而是共同安装在一块中介层上。

中介层是一块超高密度布线的硅基基板（或高端有机基板），线宽/线距可达1μm级。

它的作用：

承载GPU和HBM；
提供超密互连桥梁，在毫米级距离内连接数千I/O信号；
保证信号完整性、低延迟、低功耗。

你可以把中介层想象成一块“高架桥系统”，

GPU与HBM之间通过成千上万条“微型高速公路”直连，信号几乎不绕路、不打弯。

五、HBM的演进：从1代到4代的“极限竞速”

代别	典型带宽（每堆）	数据速率	堆叠层数	状态
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训练主力
HBM3	~819 GB/s	6.4 Gbps	12	高端AI应用
HBM3E	~1225 GB/s	9.2 Gbps	12	2024-2025量产
HBM4	>1500 GB/s	>12 Gbps	16（预期）	研发中