HBM4؛ نسل جدید حافظه برای کارهای سنگین مانند هوش مصنوعی

استاندارد رسمی JEDEC برای HBM4

سازمانی به اسم JEDEC وجود دارد که استانداردهای صنعت میکروالکترونیک را تعیین میکند. این سازمان به تازگی مشخصات رسمی HBM4 را تحت عنوان JESD238 و JESD270-4 منتشر کرده. این استانداردها مثل یک دفترچه راهنمای دقیق برای سازندگان هستند و مشخص میکنند که HBM4 باید چه ویژگیهایی داشته باشد.

بر اساس این استانداردها، HBM4 یک حافظه DRAM است که به صورت خیلی نزدیک و با یک رابط توزیع شده به چیپ پردازشی میزبان متصل میشود. این رابط به کانالهای مستقلی تقسیم شده که هر کدام کاملا جدا از دیگری کار میکنند و لزومی ندارد با هم هماهنگ باشند. معماری رابط HBM4 بسیار عریض است تا بتواند به سرعت بالا و مصرف انرژی پایین دست پیدا کند. هر کانال یک باس داده ۶۴ بیتی دارد که با نرخ داده دو برابر (DDR) کار میکند.

بیایید نگاه دقیق‌تری به مشخصات فنی که JEDEC تعیین کرده بیندازیم:

• پهنای باند و رابط: این استاندارد از سرعت انتقال داده تا ۸ گیگابیت بر ثانیه (Gb/s) برای هر پین پشتیبانی میکند. این سرعت در کنار یک رابط ۲۰۴۸ بیتی، پهنای باند کلی را به ۲ ترابایت بر ثانیه (TB/s) میرساند.
• کانالها: یکی از ارتقاهای کلیدی، دو برابر شدن تعداد کانالهای مستقل در هر بسته است. این تعداد از ۱۶ کانال در HBM3 به ۳۲ کانال در HBM4 رسیده و هر کانال حالا دو «شبه-کانال» (pseudo-channel) هم دارد. این ساختار باعث انعطاف‌پذیری بیشتر در دسترسی به حافظه و امکان انجام کارهای موازی بیشتر میشود.
• ظرفیت: HBM4 از بسته‌هایی با ارتفاع ۴ تا ۱۶ لایه چیپ DRAM پشتیبانی میکند. چگالی هر لایه میتواند ۲۴ گیگابیت یا ۳۲ گیگابیت باشد. این یعنی میتوان به بسته‌هایی با ظرفیت تا ۶۴ گیگابایت (با استفاده از ۱۶ لایه ۳۲ گیگابیتی) دست یافت که برای کارهای سنگین امروزی عالی است.
• بهینگی مصرف انرژی: استاندارد JESD270-4 به سازندگان اجازه میدهد از ولتاژهای مختلفی استفاده کنند. مثلا برای VDDQ گزینه‌های ۰.7V، ۰.75V، ۰.8V یا ۰.9V و برای VDDC گزینه‌های ۱.0V یا ۱.05V در نظر گرفته شده. این انعطاف‌پذیری به کاهش مصرف برق و بهبود بهره‌وری انرژی در سیستمهای مختلف کمک میکند.
• سازگاری: یک نکته جالب این است که HBM4 با کنترلرهای HBM3 هم سازگار است. یعنی یک کنترلر میتواند با هر دو نوع حافظه کار کند که این موضوع فرآیند مهاجرت به نسل جدید را برای طراحان سیستم آسان‌تر میکند.
• تغییرات معماری: در HBM4، باسهای فرمان و داده از هم جدا شده‌اند. این کار به منظور افزایش همزمانی کارها و کاهش تاخیر طراحی شده و عملکرد را در عملیات چند کاناله که در هوش مصنوعی و HPC رایج است، بهبود میبخشد.
• قابلیتهای اطمینان (RAS): این استاندارد شامل ویژگیهایی مثل «مدیریت رفرش هدایت شده» (DRFM) است که به کاهش خطای «رو-همر» (row-hammer) کمک کرده و قابلیتهای اطمینان، در دسترس بودن و سرویس‌دهی را تقویت میکند.

توسعه این استاندارد با همکاری بازیگران بزرگ این صنعت مثل سامسونگ، مایکرون و اس‌کی هاینیکس انجام شده و انتظار میرود این شرکتها به زودی محصولات منطبق با HBM4 خود را به نمایش بگذارند.

اس‌کی هاینیکس: پیشتاز در تولید انبوه HBM4

در میان سازندگان بزرگ، شرکت کره‌ای اس‌کی هاینیکس (SK hynix) سر و صدای زیادی به پا کرده است. این شرکت که یکی از تامین‌کنندگان اصلی انویدیا محسوب میشود، در تاریخ ۱۲ سپتامبر ۲۰۲۵ اعلام کرد که برای اولین بار در جهان، توسعه HBM4 را تکمیل کرده و آماده تولید انبوه آن است. این خبر باعث شد سهام این شرکت به شدت رشد کند.

بر اساس اعلامیه اس‌کی هاینیکس، آنها فرآیندهای اعتبارسنجی داخلی و تضمین کیفیت را برای HBM4 به پایان رسانده‌اند و میتوانند آن را در مقیاس بزرگ تولید کنند. این شرکت پیش از این هم نمونه‌هایی از چیپهای HBM4 خود را برای مشتریانش ارسال کرده بود تا از رقبایی مثل سامسونگ الکترونیکس و مایکرون تکنولوجیز جلو بیفتد.

جوهوان چو (Joohwan Cho)، مدیر بخش توسعه HBM در اس‌کی هاینیکس، این اتفاق را یک «نقطه عطف جدید برای صنعت» نامید. جاستین کیم (Justin Kim)، رئیس بخش زیرساخت هوش مصنوعی این شرکت هم HBM4 را «نقطه عطفی نمادین برای عبور از محدودیتهای زیرساخت هوش مصنوعی» خواند.

اما محصول HBM4 اس‌کی هاینیکس چه ویژگیهای خاصی دارد؟

• سرعت فراتر از استاندارد: این شرکت موفق شده در محصول خود به سرعت عملیاتی بیشتر از ۱۰ گیگابیت بر ثانیه دست پیدا کند که از استاندارد ۸ گیگابیت بر ثانیه‌ای JEDEC بالاتر است.
• عملکرد و بهینگی: محصول آنها به لطف استفاده از ۲۰۴۸ ترمینال ورودی/خروجی (I/O)، پهنای باند را نسبت به نسل قبل دو برابر کرده و بهینگی مصرف انرژی را هم بیشتر از ۴۰ درصد بهبود داده است.
• تاثیر بر هوش مصنوعی: اس‌کی هاینیکس انتظار دارد که با استفاده از این محصول، عملکرد سرویسهای هوش مصنوعی تا ۶۹ درصد بهبود پیدا کند. این موضوع میتواند مشکل گلوگاه داده (data bottleneck) را حل کرده و هزینه‌های برق دیتا سنترها را به شکل قابل توجهی کاهش دهد.
• فناوری ساخت: برای به حداقل رساندن ریسک در تولید انبوه، این شرکت از فرآیند پیشرفته MR-MUF که قبلا امتحانش را پس داده، و همچنین فرآیند 1bnm (نسل پنجم فناوری ۱۰ نانومتری) استفاده کرده است.

این پیشتازی برای اس‌کی هاینیکس اهمیت زیادی دارد. دن نیستد (Dan Nystedt)، نایب رئیس شرکت سرمایه‌گذاری TriOrient، میگوید HBM4 احتمالا چیپ حافظه اصلی مورد نیاز برای معماری نسل بعدی انویدیا یعنی Rubin خواهد بود. او معتقد است این اعلامیه نشان میدهد که اس‌کی هاینیکس همچنان «بسیار جلوتر از رقبایش» قرار دارد.

رقبا در تعقیب: وضعیت سامسونگ و مایکرون

اگرچه اس‌کی هاینیکس در بازار HBM پیشتاز است، اما سامسونگ و مایکرون هم بیکار ننشسته‌اند. مایکرون هم نمونه‌هایی از محصولات HBM4 خود را برای مشتریانش فرستاده و گزارش شده که سامسونگ در تلاش است تا چیپهای HBM4 خود را برای استفاده توسط انویدیا تایید کند.

با این حال، تحلیلگران معتقدند اس‌کی هاینیکس همچنان موقعیت برتر خود را حفظ خواهد کند. ام‌اس هوانگ (MS Hwang)، مدیر تحقیقات در Counterpoint Research، پیش‌بینی میکند که این شرکت تا سال ۲۰۲۶ حدود ۵۰ درصد از سهم بازار HBM را در اختیار خواهد داشت.

موفقیت در بازار HBM تاثیر مستقیمی روی وضعیت مالی این شرکتها داشته است. سهام اس‌کی هاینیکس در سال ۲۰۲۵ نزدیک به ۹۰ درصد رشد کرده، در حالی که سهام سامسونگ و مایکرون به ترتیب بیش از ۴۰ و ۸۰ درصد افزایش یافته‌اند. اس‌کی هاینیکس در سه ماهه منتهی به ژوئن، به لطف تقاضای بالا برای HBM که ۷۷ درصد از کل درآمدهایش را تشکیل میداد، رکورد سود عملیاتی و درآمد را ثبت کرد.

کاربردها و مزایای HBM4 در دنیای واقعی

• هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (AI/ML): مدلهای هوش مصنوعی برای آموزش و استنتاج به حجم عظیمی از حافظه نیاز دارند. پهنای باند بالای HBM4 پردازش داده را سریعتر کرده و عملکرد شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی را تقویت میکند. این موضوع در صنایعی مثل خودروهای خودران، مراقبتهای بهداشتی و پردازش زبان طبیعی حیاتی است.
• محاسبات با عملکرد بالا (HPC): در شبیه‌سازیهای علمی مثل مدل‌سازی آب و هوا، تحقیقات ژنومیک و دینامیک سیالات، محاسبات در مقیاس بزرگ انجام میشود. HBM4 با کاهش گلوگاه حافظه، این محاسبات را به شکل قابل توجهی تسریع میکند و به ابرکامپیوترها اجازه میدهد مسائل پیچیده را سریعتر حل کنند.
• گرافیک و واقعیت مجازی (VR): پردازنده‌های گرافیکی مدرن برای پردازش بافتهای با کیفیت بالا، رهگیری پرتو بلادرنگ (Ray Tracing) و محیطهای VR، به حافظه فوق سریع نیاز دارند. HBM4 با پهنای باند و چگالی بالا، عملکرد گرافیکی روان‌تر و رندرینگ با جزئیات بیشتر را ممکن میسازد. این برای بازی، رندرینگ سه بعدی، معماری، مهندسی و تولید فیلم بسیار مفید است.
• پشتیبانی از چندوظیفگی پیشرفته: در محیطهایی مثل رایانش ابری و دیتا سنترها که چندین برنامه سنگین به صورت همزمان اجرا میشوند، HBM4 جابجایی داده بین پردازنده و حافظه را سرعت میبخشد و از کندی عملیات جلوگیری میکند. این برای کسب و کارهایی که چندین ماشین مجازی یا گردش کارهای پیچیده را اجرا میکنند، به معنی عملکرد روان‌تر و زمان پاسخگویی سریع‌تر است.

چالشهای پیش روی HBM4

• هزینه تولید نسبتا بالا: معماری پیشرفته HBM4، از جمله چیدن عمودی لایه‌ها و استفاده از اتصالاتی به نام «از طریق ویای سیلیکونی» (TSV)، تولید آن را گران‌تر از حافظه‌های سنتی میکند.
• یکپارچه‌سازی پیچیده سیستم: HBM4 باید خیلی نزدیک به CPU یا GPU قرار بگیرد که این موضوع اغلب نیازمند طراحی مجدد سیستم است و کار را برای تولیدکنندگان سخت‌تر میکند.
• مسائل مدیریت حرارت: نرخ بالای انتقال داده در HBM4 گرمای زیادی تولید میکند. این گرما نیازمند سیستمهای خنک‌کننده پیشرفته است تا از داغ شدن بیش از حد و افت عملکرد جلوگیری شود.
• در دسترس بودن محدود: به دلیل هزینه و پیچیدگی، HBM4 معمولا برای محصولات رده بالا و گران قیمت در نظر گرفته میشود که استفاده از آن را در محصولات تجاری یا مصرفی ارزان‌تر محدود میکند.
• مقیاس‌پذیری تولید: تولید HBM4 در مقیاس انبوه به خاطر طراحی پیچیده‌اش میتواند چالش‌برانگیز باشد و روی زنجیره تامین و زمان تحویل محصول تاثیر بگذارد.

کنترلر: مغز متفکر پشت HBM4

حافظه HBM4 به تنهایی کار نمیکند. برای اینکه پردازنده بتواند با این حافظه ارتباط برقرار کند، به یک قطعه واسط به نام کنترلر نیاز دارد. شرکت رمباس (Rambus) یکی از اولین شرکتهایی است که یک هسته IP کنترلر HBM4 را معرفی کرده.

این کنترلر مثل یک مترجم و مدیر عمل میکند. کارش این است که فرمانها را از یک رابط ساده محلی دریافت کرده و آنها را به توالی فرمانهای مورد نیاز دستگاه‌های HBM4 ترجمه میکند. علاوه بر این، تمام کارهای مربوط به راه‌اندازی، رفرش و حالتهای کم مصرف را هم مدیریت میکند.

کنترلر رمباس چند ویژگی کلیدی دارد:

• صف فرمان (Command Queue): چندین فرمان را در صف نگه میدارد تا از پهنای باند به بهینه‌ترین شکل ممکن استفاده شود، چه برای انتقالهای کوتاه و چه برای انتقالهای طولانی.
• پردازش نگاه به جلو (Look Ahead): از این صف فرمان برای انجام هوشمندانه برخی کارها مثل فعال‌سازی یا پیش‌شارژ کردن زودتر از موعد استفاده میکند تا توان عملیاتی کلی را بالا ببرد.
• عملکرد بازچینی (Reorder): این قابلیت به طور کامل در کنترلر یکپارچه شده تا توان عملیاتی را افزایش دهد.
• پشتیبانی از قابلیتهای HBM4: این کنترلر از تمام ویژگیهای استاندارد HBM4 مثل چگالیهای مختلف، سرعت تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه بر پین و قابلیتهای اطمینان (RAS) پشتیبانی میکند.

بحثهای داغ در مورد HBM

با معرفی HBM4، بحثهای جالبی هم در بین علاقه‌مندان به فناوری شکل گرفته است. برخی از این ایده‌ها و سوالات که در محافل آنلاین مطرح شده، عبارتند از:

• امکان استفاده از حافظه ترکیبی: یک سوال این است که آیا یک سازنده کارت گرافیک میتواند از رویکرد ترکیبی استفاده کند؟ مثلا ۱۶ گیگابایت HBM4 در کنار ۱۶ گیگابایت GDDR7 قرار دهد. پاسخها نشان میدهد که این کار از نظر فنی ممکن است، اما احتمالا از نظر مالی منطقی نیست. کنترلر حافظه باید برای هر دو نوع بهینه شود و بسته‌بندی HBM هم هزینه را بالا میبرد.
• HBM به عنوان کش L4 یا برای APU ها: ایده دیگر این است که از HBM به عنوان کش سطح ۴ (L4 Cache) در پردازنده‌های مصرفی یا به عنوان حافظه گرافیکی اختصاصی (VRAM) برای APU ها استفاده شود. مزایای این کار میتواند مصرف بهینه‌تر انرژی و اشغال فضای کمتر روی برد باشد. هرچند ممکن است تاخیر آن برای استفاده به عنوان کش CPU یک چالش باشد، اما برای گرافیک APU ها میتواند فوق‌العاده باشد. یک APU در آینده میتواند با استفاده از دو بسته HBM به جای حافظه LPDDR، عملکردی خیره‌کننده داشته باشد.
• آینده تقاضا و حباب هوش مصنوعی: برخی معتقدند که ما در یک حباب هوش مصنوعی هستیم و با ترکیدن این حباب، تقاضا برای قطعات گران قیمتی مثل HBM کاهش یافته و قیمت آن پایین می‌آید. در مقابل، افرادی که در این صنعت فعال هستند میگویند تقاضا برای ظرفیت هوش مصنوعی احتمالا برای حداقل ۵ سال آینده هر سال دو برابر یا بیشتر خواهد شد و پروژه‌های زیادی در دست ساخت است. از نظر آنها، هیچ نشانه‌ای از ترکیدن حباب در آینده نزدیک دیده نمیشود.

نگاهی به آینده HBM4

با رشد روزافزون نیازهای محاسباتی، آینده HBM4 احتمالا به سمت یکپارچگی بیشتر با فناوریهای نوظهور مثل رایانش کوانتومی و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی نسل بعد خواهد رفت. با توسعه پردازنده‌های قدرتمندتر، پهنای باند بالا و مصرف انرژی بهینه HBM4 برای پشتیبانی از این نوآوریها حیاتی‌تر هم خواهد شد.

نسخه‌های آینده HBM ممکن است مرزها را با چگالی حافظه حتی بالاتر، عملکرد بهتر و بهینگی مصرف انرژی بیشتر جابجا کنند. این پیشرفتها، HBM4 و جانشینانش را به بخشی جدایی‌ناپذیر از دستاوردهای بزرگ در صنایعی مثل سیستمهای خودران، پردازش ویدیوی 8K و تحلیل آنی کلان داده‌ها تبدیل خواهد کرد. همچنین تلاشهای مداوم برای کاهش هزینه‌های تولید و ساده‌سازی یکپارچه‌سازی سیستم ممکن است باعث شود این فناوری در بازارهای تجاری و مصرفی بیشتری هم مورد استفاده قرار بگیرد.