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記憶體在AI與科技發展下扮演的角色
在AI大行其道的今天,記憶體就像是給科技界注入的一股神經元能量,讓一切變得更加聰明、迅速。想像一下,AI就像個不斷學習長大的小孩,而記憶體,則是它的大腦和記憶庫,沒有這塊基石,AI就失去了學習和成長的土壤。當AI開始學習處理海量數據,比如說讓智能助理能即時回答你的問題時,記憶體就在背後默默地發揮著作用,它讓數據能夠迅速被存取和處理,確保了AI能夠順暢無阻地運行,這就好比讓大腦的神經元能夠快速反應,讓學習和思考變得更加高效,而其中又以HBM與DDR5為產業先鋒,成為市場話題的中心,記憶體也不再是大家口中的景氣循環產業,而是科技發展的一顆重要螺絲釘,本文就將帶你了解,HBM技術的基本原理與潛在獲利,以及三大廠誰將佔據優勢…..
目前記憶體最關鍵的技術之一DRAM,你知道是甚麼嗎?
要介紹DRAM前,我們先簡單提及一下另一關鍵技術 — NAND Flash快閃記憶體,這種記憶體就像是我們數位世界的常青藤,靠著它,即使電源關了,裡頭的資料還是安然無恙。想像一下,手機裡的照片、固態硬碟上的檔案、或是隨身碟中的音樂,都是靠NAND Flash來長久保存。它的魅力在於,能在一片微小的晶片上存儲海量資料,而且成本還不高,正因如此,NAND Flash成了儲存大數據的首選英雄。
而不同於NAND Flash的長久存取,一旦電源一關,DRAM儲存的資料就會煙消雲散。如果你覺得聽起來很沒用,那就大錯特錯了。每當你在電腦上快速切換程序或是在手機上輕鬆滑動,背後都離不開DRAM的大力支援。因為DRAM有其難以被取代的特點,也就是速度飛快,因此在我們的電子裝置中扮演著無可替代的角色,它就像是裝置的短期記憶,專門負責快速處理和暫存我們正在使用的數據。不過,它也有個小小的缺點——就是愛耗電,因為為了保持數據的準確,它需要不停地被刷新。
然而,正是因為DRAM在快速存取數據方面的天生優勢,讓它成為了AI時代下不可或缺的功臣。當AI模型在訓練的時候,或者當我們需要對大量數據進行即時分析時,DRAM的高速特性就顯得尤為重要。隨著AI技術的發展,從語音辨識到自然語言處理,每一步的進步都離不開需要快速處理龐大數據集的DRAM的支持。總之,DRAM在這個資料爆炸的時代,不僅是我們電子裝置中的忠實伙伴,更是推動AI不斷進步的重要力量。
HBM是DRAM的衍生技術,數據傳輸速率遠高於傳統記憶體
HBM(高頻寬記憶體)是DRAM衍生的其中一種高效能記憶體技術,它使用透過矽穿孔(TSV)和微層線(microbumps)技術將數個記憶體堆疊在一起,形成一個高密度的記憶體堆疊,再透過3D先進封裝而成,以此加大頻寬與儲存空間,與傳統DRAM相比,HBM的頻寬更高,能運送的資料量也更多,且不論是對厚度或是晶圓堆疊精準度的要求都十分高。現今HBM多用於圖形處理器(GPU)、高性能運算和某些AI應用中,尤其是那些需要高頻寬記憶體來處理大量數據的場合。
三大公司瓜分市場,猶如魏蜀吳三強鼎立
在全球記憶體市場中,三星電子Samsung (KRX: 005930)、SK海力士SK Hynix (KRX: 000660)和美光科技Micron (MU) 是三大領先品牌,控制著絕大部分的市場份額。在DRAM領域,三星以45.5%的市占率位居首位,SK海力士以31.8%的市占率緊隨其後,而美光科技則以19.2%的市占率排在第三。這三家公司在DRAM市場的合計市占率超過96%,顯示出記憶體產業有明顯的寡占跡象。而更細部聚焦在HBM市場,2023年HBM市場的份額分佈以SK 海力士擁有最大的市場份額,達到54%,三星則位列第二,市場份額為41%,最後是排名末位的美光,只擁有5%的市場份額,相較於整個DRAM市場,美光在2023年的HBM競爭力較低。
DRAM與HBM製程迭代歷史,三家公司目前進展到哪了?
如同晶圓代工產業,DRAM也有製程迭代,由舊至新依序為1y、1z、1α(1-alpha)、1β(1-beta)和1γ(1-gamma),其中1β是當前已量產DRAM的最先進製程,而1γ則還未量產。回顧由Trendforce提供的過往HBM製程時間表,以三大廠提供給輝達的資訊來看,目前最新一代的HBM是HBM3e,三大廠於2024年開始紛紛發布,其中,三星所採用的是 1α(1-alpha)製程技術,而海力士與美光則是採用1β(1-beta)製程技術,也就是目前市場上已經實現量產的最先進記憶體製程,來生產最新一代的HBM產品,因此在生產技術上是稍微領先的。
終端市場發展快速,HBM 供應市況緊俏,長期成長動能大
HBM的終端市場主要聚焦在需要高速資料處理和傳輸能力的應用領域,包括人工智能(AI)與自動駕駛和先進輔助駕駛系統(ADAS)等等,這些領域對記憶體頻寬和能效有著嚴格要求,進而帶動高頻寬記憶體(HBM)供不應求。目前輝達以及其他品牌的GPU或ASIC供應緊俏,除了CoWoS是供應瓶頸,HBM亦同,主要可歸因於其較長的生產週期。對比傳統記憶體DDR5,HBM晶片面積大致上較DDR5同製程與同容量尺寸大35~45%,而良率則比起DDR5低約20~30%,此外,生產週期較DDR5多1.5~2個月,也因此在市場上多處於供不應求。
市場供不應求,且需求持續提升,意味著HBM背後的強大營利潛力,HBM 售價高、獲利也高,因此吸引了大廠紛紛擴大投資,根據TrendForce預估,至2024年底,整體DRAM產業規劃生產HBM TSV的月產能約為25萬片,佔DRAM月總產能180萬片約14%,供給量(位元)年成長約260%。此外,2023年HBM產值佔DRAM整體產業約8.4%,2024年底預計將擴大至20.1%。
HBM霸主SK海力士恐滿足不了輝達需求,為三星與美光帶來新希望
目前記憶體市場最主要的合作夥伴輝達為H100配置的記憶體為HBM3,SK海力士是最主要供應商,於2021年率先開始量產,而AI產業從2023年開始迅速擴張,供應逐漸不足以應付整體市場所需,而記憶體產業也從投資人口中的「景氣循環產業」,轉變成主流討論對象。而至2023年末,SK海力士對輝達的獨供出現變化,同樣生產HBM3的三星以1Znm產品加入輝達供應鏈,儘管比重仍小,但仍可視為記憶體市場生態改變的一大轉捩點。
作為目前AI晶片大廠的領頭羊,輝達的出貨量牽動著整個HBM市場的成長與記憶體產業的興衰。2023年輝達主打的高階AI晶片為A系列(A100/A800)以及H系列(H100/H800),皆採用HBM記憶體,而2024年更將推出使用6顆HBM3e的H200以及使用8顆HBM3e的B100,並在3月中的GTC大會公布了相關細節。B100內含兩顆GPU,周圍配置了8顆8層堆疊HBM3e内存,總容量可達192GB,比原來每顆HBM3e 16GB的H100多出50%的容量,意味著晶片記憶體容量與效能成長間密不可分的關係,而在輝達產能持續提高的同時,對於HBM3e的需求量也是可想而知的大。
2024年三大公司產能全開積極搶占市場份額
剛剛提到HBM在需求上十分吃緊,那麼供給面又是如何?依據TrendForce報告顯示,三星和SK海力士正積極擴充其HBM產能,預計到年底三星的HBM產能將達到約每個月生產13萬片,包含TSV技術,而SK海力士則預計達到12萬片。相對地,美光僅2萬片在產能上稍顯弱勢,儘管相對2023年已顯著成長,對比其他兩家公司卻仍有段差距。
最新技術HBM3e競爭加劇,紛紛開始宣布量產
2024年開始,記憶體產業便已逐漸步入HBM3e的時代,主要是為了因應AI與圖形處理所需的高效能,相較於HBM3,HBM3e在容量、頻寬等方面均有所提升。與 SK 海力士在 HBM3 遙遙領先不同,到了HBM3e情況似乎出現了變化,美光和三星的加入讓市場競爭變得越來越激烈,不再是SK海力士一家獨大。2023年美光、SK海力士和三星先後都遞交了 HBM3e 樣品給輝達,用於下一代 AI GPU的資格測試。
而更令人意外的是,在2024年2月底,美光搶先市場宣布量產8層HBM3e,供給輝達H200的GPU,同時曝光12層HBM3e的產品細節,而三星更是不甘落後,在同一天宣布已開發成功12層HBM3e。SK海力士則是直至3月中的輝達GTC大會中才宣布量產8層HBM3e,更暗示會是最先供應給輝達的廠商,時間規劃在三月底前,試圖在競爭中扳回一城,宣示自己的領先地位,中間火藥味十分濃烈。而接下來,便將以個別公司的角度,帶大家了解目前各大記憶廠的競爭優勢。
美光浮現技術優勢,越級打怪直上HBM3e,準備要彎道超車了嗎
美光作為記憶體三大廠中相對較小的公司,卻逐漸嶄露頭角,在HBM3的戰爭中無消無息,卻在HBM3e放出大招,首先宣布量產,同時拿下了輝達H200的訂單,與SK海力士共同瓜分。此外,美光在技術上也有領先市場的優異表現,特別是在矽穿孔(TSV)的實力堅強,由於TSV就如同散熱孔洞,數量越多散熱效果就越好,目前美光孔洞間的距離為業界最小,這對其開發下一代HBM來說,是一大優勢。而在DRAM製程上更宣佈將於2025年量產1γ(1-gamma),領先兩大對手,由於HBM是透過堆疊DRAM而成,DRAM性能越好、功耗越低,HBM自然也會有相同的優勢。
然而,其弱勢卻同樣明顯 – 產能不足,如同我們前面提及的2024年產能預測,美光每個月的產量僅為三星及SK海力士的15%左右,儘管技術領先搶到了訂單,市占有望提高,然在市場快速擴張下,恐難對兩大公司獲利產生太大影響。
三星8層HBM3e落後不影響,新訂單捷報報不停,斷了SK海力士的獨供之路
儘管三星在8層HBM3e的量產上稍微落後,成為最後一個拿下H200訂單的公司,12層HBM3e技術研發上卻領先,而後者也將是三星今年最主要的關注點。輝達Blackwell晶片最快有望自9月開始大量採購12層HBM3e記憶體,以實現較H系列高50%的記憶體容量,寫下AI晶片的新歷史,而作為新技術的領先者,三星有望拿下B100記憶體訂單。此外,與超微 MI300的合作也是三星的另一大利多因素,兩家公司一直有密切合作,超微為了與輝達Blackwell B100相互競爭,開始採用HBM3e,可謂是訂單接不完,而三星在超微對HBM3與HBM3e訂單的提升下,市占率有望進一步突破。
此外,三星更是在2月底的國際固態電路研討會中,領先SK海力士與美光搶先公布了搶先發布HBM4的相關研究,頻寬可到2TB/s,相較HBM3e的1.2TB/s成長了近66%,同時還預告會引用混合鍵合製程,可提升DRAM堆疊層數至16層以上,且散熱效能也更好。整體而言,三星的製程進度良好,同時產能規劃亦屬三家最大,下游有望同時擁有輝達與超微的支持,展望今年獲利有望進一步提升,看好三星HBM產業競爭力。
SK 海力士仍是HBM霸主,對輝達的忠誠度與卓越良率是最大優勢
在HBM3的時代,SK海力士在記憶體市場可謂是獨領風騷,儘管三星有搶占到輝達的訂單,對比SK海力士卻也只是一小部分。而輝達在2023年的快速竄起,也使得SK海力士受惠,回顧2023年年報,自2023年出的產業黯淡以來,獲利逐漸回升,特別是在Q4時DRAM需求開始復甦,部分消費性應用客戶陸續回補庫存,帶動產品價格也隨之增長,公司才開始由虧轉盈。而2024年開始,記憶體產業迎來新氣象,美光與三星陸續發布新技術的消息,而SK海力士亦在一個月之後的GTC大會上發布HBM3e相關資訊,且首批 HBM3e 將供應給輝達,用於後者最新 AI 超級晶片「GB200 Grace Blackwell」。
目前在技術上,SK海力士並不像HBM3時代,取得顯著的優勢,然與輝達之間良好的合作關係,是其在產業上有恃無恐的一大原因。此外,SK海力士能在與三星的HBM3戰爭中取得勝利,亦可歸功於兩家公司產品良率的差異。三星HBM3的良率目前只有10~20%,然SK海力士的HBM3良率卻已來到60~70%,中間差異十分明顯。主要原因是三星堅持使用非導電性膠膜(NCF)技術,雖大幅壓縮了厚度,實現了業界最小的晶片間隙7微米,卻隨著層數增加,使用黏合劑材料導致製造過程複雜化,生產進度落後,而SK海力士改用批量回流模制底部填充(MUF)技術,解決NCF弱點,也成為第一家供應HBM3晶片給輝達的廠商,預計三星也將新一代HBM晶片中,同時採用NCF、MUF技術,以在良率上取得突破,才能夠更有利的與SK海力士的產品競爭。
記憶體產業受益於AI推動,長期展望良好,而個股則最看好三星成長動能
以產業面來看,記憶體產業受益於AI領域規模擴張與需求推動,HBM晶片有望進一步提升,且隨著對效能追求的提升,記憶體不再是景氣循環產業,而是新科技革命的關鍵玩家,儘管DRAM傳統記憶體(如DDR3、DDR4)自2023年下半年以來的漲幅在需求轉淡下趨緩,預期隨著HBM在DRAM市場份額逐漸加重,記憶體三大廠長期獲利可觀,因此整個產業展望良好,皆給予買進並長期持有建議。
而以個股來看,三大廠中以三星最為看好,雖然在HBM3的良率上稍微受挫,在新晶片上可依靠NCF與MUF技術的融合,解決此缺點,同時目前對比其他兩家大廠,產能最大,有望同時擁有輝達與超微的訂單,在技術上也優先進展到12層HBM3e,可應用於輝達Blackwell系列B100晶片,侵蝕SK海力士的市場份額。SK海力士雖仍作為目前HBM最大的供應商,且2024年產能皆已被預訂,相對於三星卻較缺乏成長推動因素,而美光則是在產能上,對比其他兩家大廠競爭力較小。總結來說,針對記憶體三大廠皆給予良好評價,而其中最看好三星成長動能。
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