HBM競(jìng)爭(zhēng)格局的現(xiàn)狀與隱藏變量

激石Pepperstone(http://hskilr.com/)報(bào)道：

HBM是生成式AI潮流下的必需品。

我們?cè)赋錾墒紸I應(yīng)用的高算力需求需要配套高存力才能實(shí)現(xiàn)，從而催生存儲(chǔ)產(chǎn)品擴(kuò)容升級(jí)需求，生成式AI已成為存儲(chǔ)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)性增長(zhǎng)的關(guān)鍵要素。其中，我們著重從海外AI GPU龍頭英偉達(dá)和三大DRAM廠商的技術(shù)視角和商業(yè)考量回顧了HBM的發(fā)展史，探討HBM從“奢侈品”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨匦杵贰钡谋澈筮壿?、?dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)格局以及未來的行業(yè)趨勢(shì)。

在本篇報(bào)告中，我們主要分析HBM競(jìng)爭(zhēng)格局的最新情況及我們對(duì)未來格局演變的主要觀點(diǎn)，目前來看，SK海力士領(lǐng)導(dǎo)地位暫時(shí)穩(wěn)固，美光憑借制程優(yōu)勢(shì)加速追趕，三星在英偉達(dá)驗(yàn)證上相對(duì)落后。另一方面，我們認(rèn)為未來競(jìng)爭(zhēng)格局演變需關(guān)注(1)三星在英偉達(dá)的驗(yàn)證進(jìn)展和管理層變更對(duì)其發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線的影響;(2)下游客戶多元化對(duì)競(jìng)爭(zhēng)格局的影響;(3)HBM4以后的技術(shù)路線變更帶來的影響（混合鍵合路線的必要性）等。

SK海力士領(lǐng)導(dǎo)地位暫時(shí)穩(wěn)固。根據(jù)Trendforce和Financial Times報(bào)道，SK海力士在今年3月開始HBM3e的量產(chǎn)并保障了英偉達(dá)的訂單，5月份SK海力士已將HBM3e的生產(chǎn)時(shí)間縮短50%，同時(shí)已達(dá)到將近80%的目標(biāo)良率。考慮到三星驗(yàn)證問題和美光產(chǎn)能規(guī)模相對(duì)較小，我們認(rèn)為SK海力士很有可能在HBM3e上繼續(xù)維持其在英偉達(dá)的供應(yīng)優(yōu)勢(shì)。

后發(fā)者美光憑借制程優(yōu)勢(shì)迅速趕超。美光在今年2月開始量產(chǎn)HBM3e，并獲得了英偉達(dá)H200的訂單，計(jì)劃在二季度出貨。相較于兩家韓國(guó)廠商，美光切入HBM領(lǐng)域的時(shí)間較晚，并選擇跳過HBM3直接進(jìn)行HBM3e的開發(fā)。美光之所以能實(shí)現(xiàn)在HBM3e上的快速趕超，我們認(rèn)為很大程度上是由于其在DRAM芯片本身的制程節(jié)點(diǎn)和微縮程度（cell scaling）上領(lǐng)先。

美光于 2020 年公布 1-α制程節(jié)點(diǎn)（第四代10nm級(jí)，相當(dāng)于14nm左右），并于 2021 年開始量產(chǎn)，之后于2022 年率先推出1-β制程（第五代10nm級(jí)，相當(dāng)于12nm左右），相較1-α，該節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)約15%的能效提升和35%以上的內(nèi)存bit密度提升。2023 年三星電子及SK海力士也于其后跟進(jìn) 1-β節(jié)點(diǎn)。此外，根據(jù)TechInsights，即使是同一制程節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入1-y制程節(jié)點(diǎn)以后美光的收縮因子（shrink factor）也低于同業(yè)，反映出美光在微縮程度上的領(lǐng)先。

美光和SK海力士的HBM3E 均采用1-β制程，領(lǐng)先于三星的1-α制程。因此，盡管采用了和三星同樣的封裝路線（TC-NCF），美光的HBM3e產(chǎn)品相較于同代競(jìng)品實(shí)現(xiàn)約30%的功耗降低。我們認(rèn)為由于產(chǎn)品性能優(yōu)異，美光短期的重點(diǎn)應(yīng)該放在如何快速擴(kuò)充產(chǎn)能上。根據(jù)Trendforce，美光在2023年年末的HBM月產(chǎn)能僅0.3萬片左右，2024年年末的預(yù)測(cè)產(chǎn)能也僅有2萬片。

三星HBM3e或尚未通過英偉達(dá)驗(yàn)證。三星盡管在去年年底進(jìn)入了英偉達(dá)HBM3供應(yīng)鏈并在今年一季度通過AMD MI300驗(yàn)證，但近期有業(yè)界消息表示其HBM3e產(chǎn)品在4月份未通過英偉達(dá)的驗(yàn)證，主要是由于散熱和功耗問題。我們推測(cè)三星在HBM3e上相對(duì)落后可能與仍采用1-α節(jié)點(diǎn)制程和TC-NCF封裝技術(shù)路線的兩方面因素均有一定關(guān)系。

為了在全球存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)持續(xù)保持領(lǐng)先地位并在人工智能芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，三星在5月份更換了半導(dǎo)體業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人，由曾負(fù)責(zé)過存儲(chǔ)芯片開發(fā)業(yè)務(wù)和電池業(yè)務(wù)的副董事長(zhǎng)全永鉉（Jun Young-hyun）接替慶桂顯（Kyung Kye-hyun），管理層的變動(dòng)后下半年三星半導(dǎo)體部門內(nèi)部可能面臨戰(zhàn)略轉(zhuǎn)換和組織變更，但是否能夠幫助三星重新奪回在HBM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)則仍有待觀察。

未來競(jìng)爭(zhēng)格局演進(jìn)影響因素之一：客戶多元化。隨著AI芯片領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)激化，從HBM3到HBM3e到未來的HBM4，HBM的下游客戶群也正在變得更加多元。除了在AI GPU上與英偉達(dá)展開競(jìng)爭(zhēng)的AMD和英特爾，谷歌、Meta等大型云服務(wù)廠商以及中小初創(chuàng)公司也紛紛涌入并自行研發(fā)AI處理專用的ASIC芯片?？紤]到SK海力士和美光在產(chǎn)能受限的情況下可能會(huì)優(yōu)先滿足英偉達(dá)的訂單，因此，我們認(rèn)為，盡管三星可能暫時(shí)未通過較為嚴(yán)苛的英偉達(dá)的檢證，但仍有望通過擴(kuò)展AMD和谷歌等客戶來提升其在HBM市場(chǎng)上的市占率。

未來競(jìng)爭(zhēng)格局演進(jìn)影響因素之二：技術(shù)路線變更（混合鍵合的必要性）。當(dāng)前來看，進(jìn)入HBM4之后很有可能需要采用混合鍵合技術(shù)。根據(jù)三星反饋，16層以上堆疊的HBM必須使用混合鍵合技術(shù)，而在SK海力士的路線圖中也顯示其在HBM4世代上可能采用混合鍵合技術(shù)（見圖表4,5）。當(dāng)前使用的兩大封裝工藝TC-NCF（三星、美光）和MR-MUF（SK海力士）均使用焊接凸塊進(jìn)行DRAM芯片之間的鍵合，而混合鍵合技術(shù)將以Cu-to-Cu（銅對(duì)銅）鍵合代替焊接凸塊，從而進(jìn)一步縮小堆疊間空隙。16層的HBM4需要將16片DRAM芯片加上底部基礎(chǔ)芯片封裝在775μm的高度里，而當(dāng)前的封裝工藝由于存在凸塊間隙（bump pitch）和填充間隙（Joint Gap），可能難以滿足這一高度要求，而使用混合鍵合技術(shù)將有效降低封裝高度（見圖表6），這是因?yàn)榛旌湘I合能實(shí)現(xiàn)10μm以下的間隙和gap-less。

如果不采用混合鍵合，只能通過進(jìn)一步降低DRAM芯片高度或者凸塊間距來實(shí)現(xiàn)高度的降低。但這兩種方式都已經(jīng)逼近極限，一方面DRAM芯片高度最低只能做到30μm；另一方面凸塊間距也很難進(jìn)一步縮小，目前最低做到40μm（包括20-25μm的凸塊尺寸和15μm的凸塊間距），進(jìn)一步縮小凸塊間距可能會(huì)導(dǎo)致bump short、bump brige等問題。

混合鍵合主要包括三種實(shí)現(xiàn)方式：die-to-die (D2D), die-to-wafer (D2W)和wafer-to-wafer (W2W)，其中HBM制造可能主要使用兼顧設(shè)計(jì)靈活性和生產(chǎn)效率的D2W方式。從制造流程來看，混合鍵合的主要流程包括銅填充和表面平坦化、表面激活和鍵合準(zhǔn)備（通過等離子體工藝和沖洗以形成氫氧化物）、對(duì)準(zhǔn)和退火/室溫鍵合等（見圖表7）。

混合鍵合當(dāng)前也存在一些需攻克的課題，主要涉及污染物/雜質(zhì)控制、晶圓表面的平整度控制、銅凹陷/電介質(zhì)膜厚度監(jiān)測(cè)和控制、表面活化和等離子處理、鍵合對(duì)準(zhǔn)精度提升等。根據(jù)三星反饋，其在4月已經(jīng)使用子公司Semes的設(shè)備試生產(chǎn)了16層HBM樣品并能夠正常運(yùn)作。如果未來三星能夠在混合鍵合技術(shù)上率先有所突破，或有望幫助其在HBM4以后世代重新獲得市場(chǎng)主導(dǎo)權(quán)。

HBM相關(guān)設(shè)備廠競(jìng)爭(zhēng)格局。在光刻、沉積和刻蝕等領(lǐng)域，仍以歐美廠商與日本廠商為主，包括較為重要的TSV環(huán)節(jié)用刻蝕和鑲嵌設(shè)備仍以泛林半導(dǎo)體為主導(dǎo)。在堆疊和封裝測(cè)試領(lǐng)域，一方面日本廠商如TOWA、Disco、東京精密和愛德萬等憑借長(zhǎng)期的技術(shù)積累仍占據(jù)較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，另一方面在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)如熱壓鍵合、回流等環(huán)節(jié)，韓國(guó)本土設(shè)備廠如韓美半導(dǎo)體、韓華精密機(jī)械、Semes、PSK等已憑借本土產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)掌握主導(dǎo)權(quán)，同時(shí)這些公司也在配合三星和SK海力士積極布局混合鍵合技術(shù)，以降低技術(shù)路徑變化帶來的產(chǎn)品替代風(fēng)險(xiǎn)。?