HBM4 報告

 

🧠 LLM Meta-Level 架構應用於 HBM4 封裝議題報告（工程導向版）

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1️⃣ Motivation – 為什麼我們需要 HBM4？（3 頁）

🔹 AI 記憶體需求的劇變

• 生成式 AI 模型規模從 GPT-2 的 1.5B 參數 → GPT-4/5 的兆級參數。

• 推論過程中的 token/sec 大幅提升，單位時間記憶體吞吐量成為效能瓶頸。

• 訓練系統中 DRAM 帶寬需求 > 10PB/s（Omdia 2025），HBM 為唯一可實用化選項。

🔹 Memory Wall 與 Bandwidth Bottleneck

• 傳統 DRAM 記憶體頻寬成長趨緩，與 GPU/NPU 的算力發展出現明顯斷層。

• 資料搬移功耗持續攀升，出現記憶體牆（Memory Wall）現象。

• HBM 的高併發 × 低延遲 × 高密度特性解決頻寬壅塞問題。

🔹 為什麼是 HBM4？

• HBM3E 極限： 最高為 12Hi、1024-bit I/O、1.2 TB/s，封裝與功耗壓力大。

• HBM4 導入關鍵升級：

  • I/O 數翻倍至 2048-bit：支援 2TB/s 頻寬需求

  • 堆疊升級至 16Hi：增加容量與接腳密度

  • 封裝平台升級：需搭配 CoWoS-R 或更高階的 Organic Interposer

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2️⃣ Technology Trends – HBM3 vs HBM4 的技術核心差異（3 頁）

📌 I/O 從 1024-bit → 2048-bit：頻寬翻倍但設計難度提升

• HBM3 採用 1024-bit 接口，頻寬上限 ~819 GB/s；HBM4 擴展為 2048-bit，頻寬可達 2 TB/s 以上。

• 雖未提升時脈，但 routing 密度與 SI 設計挑戰倍增，需採用更精密的 RDL 層與等長走線設計。

• I/O 電壓降低至 0.8V 以下以控制功耗，並支援 PAM4 等複雜訊號格式。

🧱 Stacking：HBM3E 為 12H，HBM4 對應 16H → 封裝高度受限

• HBM3E 常見堆疊層數為 12Hi，使用 micro bump 搭接。

• HBM4 進一步提升為 16Hi，但為降低堆疊高度與熱阻，導入 Hybrid bonding 工藝：取消 bump，實現低 profile 封裝。

• Thermal dummy die 與 MR-MUF 材料需共同導入，解決 warpage 與熱膨脹 mismatch 問題。

🧠 Controller 與 PHY 在 Base Die 的角色與升級

• Base Die 不再僅負責 I/O 排列，而需支援完整 PHY、controller 與 training 環節。

• 支援 PAM4、NRZ 可切換，UCIe x64 interface 標準化為主流，須具備 signal equalization 能力。

• 需符合 chiplet 整合需求（與 SoC/NPU 結合），並預留 CXL 3.0/4.0 支援。

3️⃣ Challenges & Solutions – 從 I/O 與堆疊限制引出挑戰（5 頁）

挑戰	對應解法	補充說明
I/O 增加	降壓（<0.8V） + SERDES 最佳化設計	高速切換下 Switching Power 成本上升，需提升 power efficiency
Routing 複雜度上升	多層 RDL + Co-design with SoC layout	使用 >1100 線/mm RDL，需配合 SI 模擬與等長設計
堆疊層數增加	Hybrid bonding 導入，去除 bump 減少高度	可實現 16Hi，並減少 TSV-Die 界面機械應力
TSV 數量與供電壓力	Power TSV 擴增 ×5 + C4 bump 對稱布局	使 PDN 電壓降（IR drop）減少 15% 以上
熱設計與散熱困難	MR-MUF 材料導入 + Thermal bump + Dummy die	散熱效能提升約 10%，改善 top die 熱阻與 lateral spreading
封裝良率與製程風險	Mass-reflow bonding + AI yield prediction	TSV crack 機率（3–5%）為關鍵良率限制，需用 ML 預測防呆
高速測試困難	Scan chain + loopback BIST + KGSD 預測架構	提升 2K I/O 的 test coverage 與維修追蹤性

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4️⃣ Summary & Outlook – 小結與未來展望（1 頁）

✅ HBM4 是為 AI 計算需求而生的回應

• 解決 Token/sec 激增與頻寬需求斷層的最佳路徑。

• 重新定義 DRAM 與 SoC 的整合關係，進入平台共構設計時代。

📈 技術演進關鍵

• 頻寬翻倍、堆疊增加、散熱機制優化、封裝面積極限化，全方位革新。

• CoWoS-R 成為標準平台，導入 UCIe 進行 chiplet 級整合

🔭 展望 HBM5 世代

• 堆疊 20Hi、支援 Photonic I/O、整合 PIM 記憶體處理元件

• 採用 Glass Interposer + Optical Layer 導入封裝革命

HBM4 is not just a DRAM—it is the core interface between compute and memory in the AI era.