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HBM(High Bandwidth Memory，高带宽存储)已成为现代高端FPGA的一个重要标志和组成部分，尤其是在对带宽要求越来越高的现如今，DDR已经完全跟不上节奏。本篇将分享学习一下HBM的基本情况。
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什么是HBM8 J6 b/ m5 l' J- O
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高带宽存储(HBM)是三星、AMD和SK Hynix推出的基于3D堆叠同步动态随机存取存储器(SDRAM)的高速计算机内存接口。它使用在高性能图形加速器、网络设备、高性能数据中心AI ASIC和FPGA以及一些超级计算机中。(如NEC SX-Aurora TSUBASA和富士通A64FX) 第一款HBM芯片是由SK Hynix在2013年生产的，而2015年AMD首次研发了使用这种技术的GPU芯片。& ?6 H! \6 T: E: U% n" R
( i P6 t5 g8 u& T+ O. f 2013年10月，JEDEC(电子器件工程联合会)采用高带宽内存作为行业标准。第二代HBM2，于2016年1月被JEDEC所承认。
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- {' u5 L* E3 x+ ], C @HBM及其接口% q7 o+ x3 D1 X
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HBM以比DDR4或GDDR5功耗更低，带宽更高。这是通过堆叠8个DRAM die（3D集成电路）来实现的，包括可选的基die（通常是硅interposer）和memory控制器，该控制器通过硅通孔(TSV)和微突点(microbump)相互连接。HBM技术与Micron的Hyrid Memory Cube技术在原理上相似，但不是一回事。
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T$ a! V6 `: s$ S 与其他DRAM内存（如DDR4或GDDR5）相比，HBM内存总线非常宽。一个HBM stack由4个DRAM die（4-Hi）堆叠而成，并拥有8个128位信道（每个die上2个），总宽度为1024位。因此，具有四个4-Hi HBM stack的GPU将拥有4096位宽度的内存总线。相比之下，GDDR存储器的总线宽度为32位，同样16个信道则只具有512位存储器接口。HBM支持每个package的容量最多为4GB。
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HBM DRAM与具有分布式接口的主计算die进行紧密耦合。该接口被分为若干完全独立的信道但信道间不一定完全同步。HBM DRAM使用wide-inteRFace架构来实现高速、低功耗运算。HBM DRAM使用一个500MHz的差分时钟CK_t/CK_c(其中后缀“_t”表示差分对的“真”或“正”分量，“_c”代表“互补”分量)。命令在CK_t，CK_c的上升沿进行寄存。每个信道接口管理一个128位的数据总线，以双倍数据速率(DDR)运行。HBM支持每个pin上1GT/s的传输速率（传输1bit），提供128GB/s的总package带宽。 _ }2 B2 |! t" _9 x
& p8 G( W7 h( R& n3 { 第二代高带宽存储，HBM2，该标准指定了每个stack多达8个die，将pin传输速率提高一倍来到2GT/s。保留1024位宽的存取，HBM2能够达到每个package 256GB/s存储带宽。HBM2规范允许每个package容量高达8GB。HBM2对性能敏感的消费类应用，如虚拟现实，特别有吸引力。9 b$ R3 S0 l, I5 I9 Z* X, N8 q
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2018年底，JEDEC宣布了对HBM2规范的更新，增加了带宽和容量。官方规范现在支持每堆栈高达307GB/s（2.5Tbit/s有效数据速率），尽管以此速度运行的产品已经问世。此外，该更新还增加了对12-Hi stack（12个die）的支持，使每个堆栈的容量高达24GB。2019年3月20日，三星宣布了他们的Flashbolt HBM2E，每stack 8个die，传输率为3.2GT/s，每stack可提供410GB/s带宽。2019年8月12日，SK Hynix发布了他们的HBM2E，每stack8个die，传输速率为3.6GT/s，每stack可提供460GB/s带宽。
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4 X/ x; N8 T& w$ Z, p' L/ U 2020年底，Micron公司发布了下一代标准HBMnext并表示将全程参与JEDEC的标准制定工作，预计2022年面世。这个未来很有可能是HBM3的标准很可能还是服务于数据中心。
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; I( N1 i" B2 q6 A& `9 n2 ^4 C 近年来，FPGA厂商对HBM的态度甚至比GPU厂商还要积极，随着数据中心上越来越高的性能要求，相信带有HBM3的FPGA也会在不远的未来和大家见面。5 ]1 g" J% B+ X/ S7 U2 F
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发表于 2021-10-22 09:30
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