Анонс: Производители высокоскоростной памяти научились размещать десятки гигабайт DRAM рядом с вычислительным кристаллом и передавать терабайты данных в секунду. Но дальнейшее увеличение числа слоёв HBM превращается уже не столько в задачу микроэлектроники, сколько в проблему механики, теплоотвода и технологии корпусирования.
За последние несколько лет высокоскоростная память HBM превратилась из сравнительно специализированной технологии в один из важнейших элементов высокопроизводительных вычислительных систем. Рост систем искусственного интеллекта резко увеличил объёмы данных, которые необходимо постоянно передавать между памятью и вычислительными блоками.
Сам по себе быстрый процессор уже не гарантирует высокой производительности. Если данные не успевают поступать к вычислительным ядрам, значительная часть потенциальной производительности остаётся неиспользованной.
Поэтому сегодня борьба идёт не только за количество транзисторов и вычислительных блоков. Не менее важным становится вопрос: как физически доставить к ним достаточный объём данных.
И именно здесь HBM начинает приближаться к ограничениям, которые нельзя преодолеть простым добавлением ещё нескольких слоёв памяти.
Что произошло
На Hot Chips 2026 представители трёх крупнейших производителей DRAM — Micron, Samsung и SK hynix — посвятили отдельные доклады развитию памяти для систем искусственного интеллекта. В программе конференции рассматривались архитектура памяти, развитие базового кристалла HBM и новые технологии корпусирования.
После конференции Semiconductor Engineering сформулировал проблему достаточно однозначно: увеличение количества слоёв HBM сталкивается с физическими ограничениями. Чем выше становится стек памяти, тем тоньше приходится делать отдельные кристаллы, сложнее становится работа с TSV-соединениями и серьёзнее проблема отвода тепла.
Это важный момент.
До определённого этапа развитие памяти можно было воспринимать преимущественно как увеличение плотности хранения и скорости интерфейса. Теперь её характеристики всё сильнее зависят от технологий трёхмерной сборки.
Почему обычной памяти стало недостаточно
Традиционная память DDR располагается на отдельных микросхемах печатной платы и соединяется с процессором сравнительно длинными проводниками.
У этого подхода есть существенное преимущество: система относительно проста, память можно размещать в большом количестве и сравнительно легко масштабировать её ёмкость.
Но существует ограничение пропускной способности.
Чтобы передавать больше данных, можно увеличивать частоту интерфейса. Однако с ростом частоты возрастают требования к целостности сигналов, энергопотреблению, топологии проводников и согласованию линий.
HBM использует другой подход.
Вместо нескольких относительно узких и быстрых каналов создаётся очень широкий интерфейс, а сами кристаллы памяти устанавливаются практически рядом с вычислительным устройством.
Это позволяет передавать огромные объёмы данных при относительно умеренной частоте каждой отдельной линии.
Память становится трёхмерной
Главное внешнее отличие HBM от обычной DRAM заключается в компоновке.
Кристаллы памяти располагаются друг над другом.
Для их соединения применяются TSV — Through-Silicon Via, вертикальные проводящие переходы непосредственно через кремний.
Получается своеобразный многоэтажный электронный модуль:
вычислительный ускоритель → интерпозер или иная соединительная структура → базовый кристалл HBM → несколько расположенных друг над другом кристаллов DRAM.
В результате вместо длинных соединений на печатной плате сигналы проходят очень короткий путь внутри корпуса.
Это и позволяет получить огромную пропускную способность.
Например, Micron указывает для HBM4 интерфейс шириной 2048 линий ввода-вывода и пропускную способность более 2,8 ТБ/с на один стек памяти. Для 12-слойной версии ёмкость составляет 36 ГБ.
Samsung для своего HBM4 заявляет максимальную пропускную способность до 3,3 ТБ/с на стек. Компания выпускает 12-слойные варианты и рассматривает 16-слойную компоновку ёмкостью до 48 ГБ.
То есть несколько небольших физических областей рядом с ускорителем способны обеспечивать суммарную пропускную способность уже в десятки терабайт в секунду.
Но возникает другой вопрос: сколько этажей можно построить?
Ограничение №1. Высота корпуса
Казалось бы, самый простой путь увеличения ёмкости HBM — продолжать добавлять кристаллы памяти.
Было 8 слоёв — сделать 12.
Затем 16.
После этого 20 или 24.
Но размеры корпуса не могут бесконечно увеличиваться по вертикали.
Для HBM4 отрасль работает с высотой стека порядка 775 микрометров. Поэтому при увеличении количества кристаллов каждый отдельный кристалл приходится делать всё тоньше. На Hot Chips представители SK hynix отдельно обращали внимание на это ограничение.
И здесь начинается уже механическая проблема.
Кремний хорошо работает как материал полупроводника, но очень тонкий кристалл становится значительно более хрупким.
После утонения его необходимо:
- перемещать;
- позиционировать;
- соединять;
- нагревать;
- охлаждать;
- заливать компаундом;
- подвергать последующим технологическим операциям.
То есть увеличение плотности памяти повышает риск повреждения ещё до того, как устройство вообще попадёт в вычислительную систему.
Ограничение №2. Коробление
Любой инженер, работавший с многослойными печатными платами или силовыми модулями, знаком с проблемой различного теплового расширения материалов.
В HBM она проявляется на другом масштабе.
Стек состоит из множества чрезвычайно тонких элементов, соединений, диэлектриков и заполнителей. Во время производства конструкция многократно нагревается и охлаждается.
Материалы расширяются неодинаково.
В результате возникает warpage — коробление.
Чем больше слоёв и чем тоньше каждый отдельный кристалл, тем сложнее удерживать геометрию всей конструкции.
При этом речь идёт о микроскопических соединениях. То отклонение, которое для обычной печатной платы совершенно несущественно, внутри HBM уже может нарушить электрический контакт.
Ограничение №3. TSV тоже занимают место
Вертикальные переходы TSV позволяют передавать сигнал через весь стек.
Но TSV невозможно сделать абсолютно бесплатными с точки зрения площади.
Каждый переход:
- занимает часть кремния;
- требует технологического зазора;
- влияет на расположение элементов памяти;
- создаёт паразитные параметры;
- влияет на тепловой режим.
По мере увеличения числа сигналов возрастает количество таких соединений.
HBM4 уже перешла от 1024 линий интерфейса предыдущего поколения к 2048 I/O.
Удвоение ширины интерфейса позволяет резко увеличить пропускную способность, но одновременно усложняет всю конструкцию корпуса.
Иными словами, ширина шины перестаёт быть только логическим параметром микросхемы. Она непосредственно влияет на геометрию устройства.
Ограничение №4. Тепло
Возможно, именно тепло станет главным ограничителем дальнейшего вертикального масштабирования.
Каждый работающий слой DRAM потребляет энергию.
Часть этой энергии превращается в тепло.
Если один кристалл расположен на поверхности корпуса, задача относительно понятна: тепло можно передать на теплораспределительную крышку и далее на систему охлаждения.
Но внутри многослойного стека ситуация существенно сложнее.
Тепло, выделяемое внутренним кристаллом, должно пройти через другие слои, соединительные материалы и элементы корпуса.
Чем выше стек, тем длиннее тепловой путь.
При этом рядом находится вычислительный ускоритель, который сам может потреблять сотни ватт или даже больше в составе современного вычислительного модуля.
В итоге HBM находится в одном из наиболее термически напряжённых участков всей системы.
Производители уже начинают проектировать охлаждение внутри памяти
Хорошим показателем серьёзности проблемы стало появление решений, в которых теплотехника фактически становится частью конструкции микросхемы памяти.
В мае 2026 года SK hynix представила технологию iHBM, предполагающую интеграцию элементов отвода тепла непосредственно в корпус HBM.
По данным компании, решение способно снизить тепловое сопротивление примерно на 30%.
Для электроники это достаточно интересный переход.
Раньше система охлаждения воспринималась преимущественно как внешний элемент:
кристалл → корпус → радиатор → воздух или жидкость.
Теперь тепловой тракт начинает проектироваться непосредственно внутри многослойной полупроводниковой конструкции.
HBM4E показывает, куда движется скорость
Параллельно производители продолжают увеличивать быстродействие интерфейса.
В июне SK hynix сообщила о передаче заказчикам образцов 12-слойной HBM4E со скоростью до 16 Гбит/с на один вывод. Компания также заявляет более чем 20-процентное повышение энергоэффективности и уменьшение теплового сопротивления на 17% относительно предыдущего решения благодаря развитию технологии MR-MUF.
Samsung ранее также объявила о начале поставки образцов 12-слойной HBM4E с максимальной скоростью 16 Гбит/с на вывод.
Таким образом, отрасль одновременно пытается повышать:
скорость интерфейса + количество слоёв + ёмкость + энергоэффективность.
Но эти параметры связаны между собой.
Нельзя независимо увеличить каждый из них.
Почему появляется hybrid bonding
Одним из следующих технологических шагов считается гибридное соединение — hybrid bonding.
В традиционной многослойной сборке между кристаллами используются микроконтакты и дополнительные соединительные материалы.
Hybrid bonding позволяет непосредственно соединять очень мелкие металлические контактные площадки соседних кристаллов.
Это потенциально позволяет:
- уменьшить расстояние между слоями;
- увеличить плотность соединений;
- снизить паразитные параметры;
- уменьшить высоту стека;
- улучшить передачу тепла;
- увеличить количество устанавливаемых кристаллов.
Однако сам технологический процесс значительно сложнее.
Поверхности должны быть исключительно ровными и чистыми, а точность совмещения измеряется величинами, которые ещё недавно не требовались при массовой сборке памяти.
По материалам Hot Chips 2026, SK hynix пока рассматривает широкое применение hybrid bonding скорее для будущих поколений HBM, вплоть до HBM5, чем как полностью готовую технологию для HBM4E.
И это хорошо показывает важную особенность современной микроэлектроники: перспективное решение может существовать технологически, но до его массового производства ещё необходимо решить вопросы стоимости, выхода годных и повторяемости процесса.
Базовый кристалл HBM тоже перестаёт быть просто соединителем
Есть и другой путь развития.
Если вертикально наращивать память становится всё сложнее, можно изменить функции нижнего — базового — кристалла.
На Hot Chips Samsung представила концепцию развития HBM Base Die с использованием современных логических техпроцессов. Идея заключается в том, что нижний кристалл постепенно перестаёт выполнять только роль интерфейса между DRAM и вычислительным устройством.
На него можно переносить дополнительную логику и функции обработки данных.
Это потенциально меняет саму архитектуру памяти.
Вместо модели:
процессор запрашивает данные → память их передаёт
может постепенно возникнуть:
процессор формирует задачу → часть операций выполняется непосредственно около памяти → процессору передаётся уже необходимый результат.
Фактически речь идёт о сближении памяти и вычислений.
Почему это важно не только для ИИ
Сегодня основным потребителем HBM являются высокопроизводительные вычислительные ускорители.
Но технологические решения, которые сейчас отрабатываются на дорогих системах искусственного интеллекта, со временем могут распространяться значительно шире.
История электроники неоднократно проходила этот путь.
Технология появляется там, где стоимость играет меньшую роль:
- суперкомпьютеры;
- серверы;
- телекоммуникационное оборудование;
- специальная электроника.
Затем совершенствуется производство, увеличивается выход годных, снижается цена — и решения переходят в более массовые устройства.
Трёхмерная интеграция, chiplet-архитектура, гибридное соединение кристаллов и развитое корпусирование вполне могут пройти аналогичный путь.
Проблема выходит за пределы самой памяти
Есть ещё одно важное следствие.
HBM расходует значительно больше кремниевой площади и производственных ресурсов, чем обычная DRAM той же ёмкости. На Hot Chips представители Micron отмечали, что производство одинакового объёма HBM может требовать примерно втрое больше площади кремния по сравнению с DDR5, и этот разрыв не сокращается с развитием поколений.
Поэтому быстрый рост HBM влияет уже на весь рынок памяти.
Производителю приходится решать, какую часть пластин направить на обычную DRAM, а какую — на значительно более дорогую HBM.
Рост ИИ-инфраструктуры превращает технологическую проблему в производственную.
SK hynix, например, в августе заявила, что ожидает дефицит памяти вплоть до 2030 года и продолжает наращивать производственные мощности, в том числе для будущего HBM4E.
Главный предел может оказаться не в транзисторах
Много лет развитие вычислительной техники описывалось прежде всего через уменьшение технологических норм.
7 нм.
5 нм.
3 нм.
2 нм.
Но современный высокопроизводительный вычислительный модуль становится системой из множества кристаллов, разных технологических процессов и сложного корпуса.
Поэтому вопрос уже нельзя свести только к тому, насколько маленький транзистор удалось изготовить.
Необходимо одновременно решить:
- как соединить кристаллы;
- как передать между ними десятки терабайт данных;
- как подвести питание;
- как вывести тепло;
- как сохранить механическую прочность;
- как получить приемлемый процент годных изделий;
- как всё это произвести в больших количествах.
Именно поэтому advanced packaging — передовое корпусирование — постепенно становится одной из ключевых технологий микроэлектроники.
Что будет дальше
Вероятнее всего, развитие HBM пойдёт сразу по нескольким направлениям.
Будет увеличиваться число слоёв, но гораздо осторожнее, чем раньше.
Будут совершенствоваться технологии hybrid bonding.
Базовый кристалл станет более функциональным.
Внутрь корпуса будут всё активнее интегрироваться элементы управления питанием и теплоотводом.
А память и вычислительный ускоритель будут проектироваться всё меньше как два независимых устройства и всё больше — как единая электронная система.
Возможно, именно это является главным результатом нынешнего этапа развития HBM.
Память перестаёт быть периферийным компонентом вычислителя. Она становится частью его архитектуры.
И если несколько лет назад главным вопросом было, сколько вычислительных блоков можно разместить на кристалле, то теперь не менее важен другой:
можно ли обеспечить эти блоки данными и отвести тепло быстрее, чем растёт их вычислительная производительность?
Ответ на этот вопрос во многом определит архитектуру следующего поколения электронных систем.
Об авторе
