在昨日之前，HBM行业还是维持着一个SK海力士遥遥领先，三星和Micron在后面苦苦追赶的局面。虽然日前有消息指出，三星的HBM3获得了美国的认证，但是依然还没能撼动SK海力士在英伟达GPU里的地位，甚至韩国存储巨头的HBM进度还落后于美光。
昨日白天，有一则新的消息透露，因为美国即将限制对中国的HBM供应，这引发了中国企业的HBM抢购潮，但重点依然还是围绕着落后的HBM工艺。
不过，在经历了昨晚之后，HBM产业似乎将迎来巨变。
三星，终于获得认证
如前所说，三星在当前最先进的HBM3E方面依然没有获得GPU巨头的认可，这某种程度上一直打击着韩国存储巨头的信心。但终于，他们也拿到了这张入场票。
据三位了解结果的消息人士称，三星电子第五代高带宽内存芯——HBM3E的一个版本已通过 Nvidia 的测试，可用于其人工智能 (AI) 处理器。这项资格为这家全球最大的内存芯片制造商扫清了一个重大障碍，该公司一直在努力追赶当地竞争对手 SK 海力士，后者在供应能够处理生成 AI 工作的先进内存芯片的竞争中脱颖而出。
消息人士称，虽然三星和 Nvidia 尚未签署已获批准的八层 HBM3E 芯片的供应协议，但很快就会签署，消息人士补充说，他们预计将在 2024 年第四季度开始供应。但消息人士同时透露，这家韩国科技巨头的 12 层 HBM3E 芯片尚未通过 Nvidia 的测试，由于此事仍属机密，因为该消息人士拒绝透露姓名。
对此消息，三星和 Nvidia 均拒绝置评。
作为一种动态随机存取存储器或 DRAM 标准，HBM于 2013 年首次推出，其中的芯片垂直堆叠以节省空间并降低功耗。作为人工智能图形处理单元 (GPU) 的关键组件，它有助于处理复杂应用程序产生的大量数据。据路透社 5 月援引消息人士报道，三星自去年以来一直在寻求通过 Nvidia 对 HBM3E 和之前的第四代 HBM3 型号的测试，但由于发热和功耗问题而举步维艰。
据了解情况的消息人士称，该公司此后已重新设计了 HBM3E 设计以解决这些问题。
三星在 5 月路透社文章发表后表示，其芯片因发热和功耗问题而未通过 Nvidia 测试的说法是不实的。路透社上个月报道称，Nvidia 最近认证了三星 HBM3 芯片，可用于为中国市场开发的不太复杂的处理器。
三星毫无疑问是HBM行业的追赶者，因为在这个存储的落后，他们的存储团队在最近几个发生了多起变动，甚至公司的HBM研发团队也进行了多次的重组。不过，从最近的成绩看来，他们也取得了一些进步。
上面的消息固然不用赘言，从三星最新的财报我们发现，韩国存储巨头的HBM销售额同比增长超过50%，营业利润高达6.45万亿韩元，这一成绩远超出市场预期。能获得这样的表现当然与他们与全球知名图形处理器制造商NVIDIA的紧密合作密不可分。
SK Hynix，紧抱客户
在三星来势汹汹之际，SK Hynix也不可能坐以待毙，他们在韩国本土大力发展HBM技术和扩充产能之际，还积极拥抱美国，紧抱客户，避免任何良机的错失。在昨日晚些时候，美国商务部与 SK 海力士签署了一项价值 10 亿美元的协议，用于建设高带宽存储器 (HBM) 先进封装和研发 (R&D) 工厂，这无疑给HBM龙头打下了又一针强心针。
据报道，SK 海力士公司将获得美国 4.5 亿美元的初始拨款和 5 亿美元的贷款，用于在印第安纳州建设一个先进的芯片封装和研究设施，该项目将增强美国在人工智能供应链关键部分的产能。
报道指出，这座耗资 38.7 亿美元的工厂将封装高带宽内存芯片，供 Nvidia Corp. 等 AI 芯片制造商使用，而这家韩国公司在这一领域占据主导地位。据一位不愿透露姓名的商务部官员称，SK 海力士预计将从韩国向其美国工厂运送自己的内存芯片。该工厂预计将创造约 1,000 个就业岗位。除了拨款和贷款外，SK 海力士还预计将像其他在美国建厂的公司一样享受 25% 的税收抵免。
如上所说，SK海力士有意扩大其在向 Nvidia 供应 HBM 芯片方面对三星电子和美光科技的领先优势，这一优势帮助其市值自 2022 年底以来翻了一番。与此同时，封装，即将芯片装入外壳并准备连接到设备的过程，已成为中美技术冲突的一个关键领域。
美国商务部长吉娜·雷蒙多表示：“今天与 SK 海力士达成的历史性声明将进一步巩固美国的人工智能硬件供应链，这是世界上任何其他国家都无法比拟的，所有主要的先进半导体制造和封装参与者都将在我国建设或扩张。”
美国总统科技助理兼白宫科技政策办公室主任 Arati Prabhakar 表示：“先进封装对人工智能和其他尖端系统越来越重要，但它需要极其精确的制造工艺。借助《芯片与科学法案》的激励措施，SK 海力士将为我们国家所依赖的复杂计算系统做出重大贡献。与此同时，我们也在进行研发投资，以赢得未来。”
SK海力士首席执行官郭鲁正（Kwak Noh-Jung）表示：“我们非常感谢美国商务部的支持，很高兴能与美国商务部合作，让这一转型项目全面实现。我们正在推进印第安纳州生产基地的建设，与印第安纳州、普渡大学和我们的美国业务合作伙伴合作，最终从西拉斐特供应尖端的人工智能内存产品。我们期待建立一个新的人工智能技术中心，为印第安纳州创造技术性工作，并帮助为全球半导体行业建立更强大、更具弹性的供应链。”
初次以外，SK海力士将与普渡大学合作制定HBM研发项目计划，其中包括与普渡大学的Birck纳米技术中心以及其他研究机构和行业合作伙伴合作进行先进封装和异构集成。
混合键合，必争之地
两家巨头在产品和客户方面大力推进同时，他们还在技术上面加紧布局，如Hybrid Bonding，就是他们两家都看好的新技术，也是他们的必争之地。
三星在最近的一篇论文中表示，它认为制造 16 堆栈高带宽存储器 (HBM) 需要混合键合。
三星在论文中表示，较低的高度是采用混合键合的主要原因。为了将 17 个芯片（一个基础芯片和 16 个核心芯片或堆栈）封装在 775 微米的尺寸中，必须缩小芯片之间的间隙。除了应用混合键合之外，解决该问题的其他方法是使核心芯片尽可能薄或减小凸块间距。
然而，除了混合键合之外的两种方法被认为已经达到了极限。一位知情人士表示，将核心芯片的厚度控制在 30 微米以下非常困难。三星在其论文中还指出，由于凸块的体积，使用凸块连接芯片存在局限性。这家科技巨头还指出，凸块短路问题使得缩小间距变得困难。
三星还分享了其计划如何使用混合键合来制造 HBM。逻辑晶圆经过化学机械抛光 (CMP) 和等离子工艺。然后，晶圆经过去离子水冲洗。然后堆叠芯片。经过 CMP 后，核心芯片经过芯片分离工艺。此后的工艺步骤与逻辑晶圆相同。进行等离子工艺和冲洗以激活表面。这会在表面形成氢氧化物，从而将颗粒键合在一起。经过退火工艺后，铜也会被键合。
SK海力士PKG产品开发担当李圭济（Lee Gyu-jei）副社长也在近日接受公司内部采访的时候指出，“最近，混合键合等新一代封装技术受到广泛关注，该技术能在产品厚度不变的情况下，通过增加芯片堆叠层数来提升产品性能和容量。尽管顶层与底层芯片间距变窄导致的散热问题依然存在，但这项技术有望成为可以满足客户日益多样化性能需求的一种解决方案。SK海力士计划持续提升当前先进MR-MUF技术的散热性能，并确保新技术的研发。”
他表示，2013年，SK海力士成功将TSV技术应用于其全球第一代HBM产品中。TSV是一项关键技术，通过在多个DRAM上打数千个微孔，使其垂直互连至电极，从而实现HBM的超高速性能。
“最初SK海力士也是犹豫的公司之一。但我们认为，想要应对未来市场，必须同时掌握能够实现高性能和高容量的TSV技术和包括堆叠（Stacking）在内的晶圆级封装（WLP, Wafer Level Packaging）技术。因此我们在21世纪初期就开始积极投入研发。”李圭济（Lee Gyu-jei）说。他进一步指出，在推出应用了MR-MUF技术的HBM2E，SK海力士开始改变HBM的市场格局，而MR-MUF技术也因此成为SK海力士书写“HBM成功故事”的核心。
据他透露，在12层HBM3研发过程中，芯片堆叠层数增加，因此SK海力士极需提升散热性能。对于12层HBM3，传统的MR-MUF技术难以解决更薄芯片的翘曲问题。
为克服这些局限性，他们对MR-MUF技术进行了升级，开发出了先进MR-MUF技术。借助此项技术，公司去年成功开发并量产了全球首款12层HBM3。今年3月，SK海力士又量产了全球最高性能的HBM3E。此外，从下半年开始，HBM龙头将向各大AI科技企业提供采用该技术的12层HBM3E。随着其应用领域的不断拓展，这项技术将进一步为巩固SK海力士在HBM市场的技术领先地位而提供支持。
“不久前，业界曾有不实传言称MR-MUF技术难以实现高层数堆叠。为此，我们积极与客户沟通，阐明MR-MUF技术是高难度叠层的最佳解决方案。这一努力也让我们再次赢得了客户的信任与认可。”李圭济（Lee Gyu-jei）表示。
值得一提的是，在去年年底于美国举行的全球半导体会议 IEDM 2023 上，SK 海力士宣布，已确保 HBM 制造中使用的混合键合工艺的可靠性。SK 海力士报告称，其第三代 HBM（HBM2E）采用 8 层堆叠 DRAM，在使用混合键合工艺制造后，通过了所有领域的可靠性测试。在本次测试中，SK 海力士评估了 HBM 在高温下的使用寿命，并检查了产品出货后客户在芯片键合过程中可能出现的潜在问题等，涉及四个类别。
据 TheElec 获悉，半导体封装公司 Genesem 已向芯片制造商 SK Hynix 提供其下一代混合键合设备，用于生产高带宽存储器 (HBM)。消息人士称，Genesem 已提供了两台设备，安装在 SK Hynix 的试验工厂，以测试混合键合工艺。
该存储器制造商计划在 2026 年在其 HBM 生产中应用混合键合。
定制化，下一步
正如李圭济（Lee Gyu-jei）所说，为确保SK海力士的HBM市场领导地位，必须持续研发各种新一代封装技术，以响应市场对定制（Custom）产品不断增长的需求。
为此，在今年4月，全球最大的HBM供应商SK海力士与全球代工厂台积电联手推出HBM4。据报道，两家公司将首先致力于针对搭载于HBM封装内最底层的基础裸片（Base Die）进行性能改善。
对SK海力士有了解的读者应该知道，这家存储巨头以往的HBM产品，包括HBM3E（第五代HBM产品）都是基于公司自身制程工艺制造了基础裸片，但从HBM4产品开始计划采用台积电的先进逻辑（Logic）工艺。若在基础裸片采用超细微工艺可以增加更多的功能。由此，公司计划生产在性能和功效等方面更广的满足客户需求的定制化（Customized）HBM产品。
与此同时，双方将协力优化SK海力士的HBM产品和台积电的CoWoS技术融合，共同应对HBM相关客户的要求。
拥有晶圆代工hang等领先技术的三星电子公司也不甘落后，他们计划利用其尖端的4纳米代工工艺量产下一代HBM。有消息人士表示，三星将采用4nm代工工艺生产第六代HBM4芯片的逻辑芯片。逻辑芯片位于芯片堆栈的底部，是控制 DRAM 的 HBM 芯片的核心组件。
三星高管表示：“与台积电和SK海力士不同，让芯片设计师参与HBM4生产是我们的独特优势。”知情人士透露，这家科技集团已将系统LSI部门的员工派往新成立的HBM开发团队。
在这些动作背后，是因为定制化HBM将成为解决存储器半导体市场供过于求问题的新方案。
SK海力士的CEO郭鲁正也曾强调，“随着HBM4的不断推进，定制化需求将不断增加，成为全球趋势，并转向合约化，供过于求的风险将逐步降低。”他补充道，“我们将开发符合客户需求的技术。”
随着人工智能 (AI) 的出现，HBM 市场正在从通用市场演变为“客户定制”市场。三星电子和 SK 海力士都致力于在这个定制化 HBM 的新时代吸引客户。三星在“代工论坛”上的声明以及其对 HBM3E 和 HBM4 产品的持续开发反映了其对这一趋势的承诺。同时，SK 海力士与台积电的合作及其先进封装技术计划凸显了其满足客户特定需求的战略方针。
随着定制化 HBM 市场持续增长，三星和 SK 海力士之间的竞争预计将加剧。两家公司都在利用各自的优势和合作伙伴关系，在这个快速发展的行业中保持领先地位。转向定制不仅解决了供应过剩的问题，而且还使生产与客户的特定需求保持一致，从而确保高带宽内存市场更加稳定和可持续。
再加上Micron的不确定因素，HBM市场，依然值得期待。
本文作者：半导体行业观察，来源：半导体行业观察，原文标题：《HBM，一夜生变》