深度报告-20250326-金元证券-电子行业深度报告_HBM_训练侧_推理侧需求的共同焦点-突破存算协同范式下的_存储墙_困境_36页_4mb

突破存算协同范式下的“存储墙”困境：HBM技术解析

核心内容

在AI算力快速提升的背景下，存储带宽成为限制系统性能的关键瓶颈。HBM（High Bandwidth Memory）通过3D堆叠DRAM和宽总线设计，成为解决“存储墙”问题的核心方案。HBM具备高带宽、低功耗和高集成密度的优势，是AI训练和推理场景中的重要技术。

主要观点

• 存储墙问题：冯·诺依曼架构下，存储带宽增长速度远低于算力增长，导致GPU利用率下降和系统性能受限。AI训练和推理对存储带宽的需求激增，HBM成为提升性能的关键技术。
• HBM优势：
  • 高带宽：HBM通过1024-bit总线设计，带宽显著高于传统DDR/GDDR显存，例如HBM3可达819GB/s以上。
  • 低功耗：HBM在相同带宽下能耗显著低于GDDR，有利于降低高性能芯片的功耗和发热。
  • 高集成密度：采用硅中介层（Interposer）和垂直堆叠技术，实现高密度封装，减少封装体积和信号延迟。
• HBM技术演进：从HBM1到HBM3e，堆叠层数从8层提升至16层，单DRAM容量从2GB提升至4GB，单颗HBM芯片容量从16GB扩展至64GB，带宽上限从128GB/s提升至1.2TB/s。

关键信息

HBM技术特点

• 垂直互连-TSV：HBM采用硅通孔（TSV）技术，通过高深宽比刻蚀和铜填充实现芯片间的垂直连接。
  • 高深宽比刻蚀：DRIE + Bosch工艺逐步取代RIE，提升刻蚀效率和精度。
  • 铜填充：采用电化学镀铜（ECP）技术，确保TSV内铜层连续，避免空洞。
  • CMP工艺：用于去除多余铜层，精确控制露铜程度，确保信号完整性。

微凸点及UBM工艺

• 微凸点用于实现芯片间的电气连接，直径在20-50μm之间，支持高密度互连。
• UBM（Under Bump Metallurgy）是焊料与芯片之间的结合层，传统采用Ni/Au工艺，但因成本和效率问题，逐渐转向Cu柱无Ni方案。

键合工艺

• 回流焊（mass reflow）：适用于凸点间距较大的场景，但存在热膨胀失配问题。
• 热压键合（TCB）：适用于细间距场景，但效率低，需开发fluxless工艺以解决助焊剂残留问题。
• 液态模塑底填充（MUF）：使用低粘度树脂，可批量处理，提升工艺效率，成为主流趋势。
• 混合键合：无需凸点焊料，实现直接芯片间连接，显著提升I/O密度和信号完整性，适合10μm以下间距应用。

HBM市场现状

• 市场格局：SK海力士、三星、美光主导HBM市场，国内厂商在关键设备上仍存在差距。
• 市场规模：IDTechEX预测，2025-2035年HPC硬件市场年化增长13.6%，市场规模将超5810亿美元，其中95%将使用HBM。
• 国产替代：国内企业在CMP、电镀、清洗等领域有所突破，但TSV刻蚀、键合等环节仍依赖海外设备。

相关公司

• 拓荆科技（688072.SH）：
  • 提供薄膜沉积设备（PECVD、ALD、SACVD等），已实现产业化应用。
  • 产品包括用于HBM的TSV绝缘层和扩散阻挡层沉积设备，以及混合键合设备。
• 盛美上海（688082.SH）：
  • 提供高性能电镀设备，如Ultra ECP 3D，用于TSV和2.5D转接板的镀铜。
  • 支持高深宽比铜填充，降低空洞率，提高铜膜厚度均匀性。
• 华海清科（688120.SH）：
  • 提供CMP、减薄、划切、清洗等一体化设备，覆盖HBM关键工艺。
  • 产品包括Universal系列CMP设备、Versatile系列减薄设备等。

工艺趋势

• TSV工艺：高深宽比刻蚀工艺（DRIE + Bosch）成为主流，ALD用于膜覆盖但沉积速率慢。
• 键合工艺：从传统回流焊向fluxless TCB和液态MUF过渡，提升工艺效率和可靠性。
• 混合键合：未来可能采用MR-MUF与D2W/W2W结合方式，提升I/O密度和封装效率。

风险提示

• 技术复杂性：HBM工艺涉及TSV、键合、填充等多个环节，技术门槛高。
• 地缘风险：HBM产业链设备及材料仍以海外企业为主，地缘政治可能影响供应链。
• 市场需求波动：AI发展不及预期可能导致对高性能存储需求下降。
• 竞争加剧：HBM市场集中度高，竞争可能超出预期。