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HBM的基本情況

FPGA之家 ? 來源:FPGA之家 ? 作者:FPGA之家 ? 2022-07-08 09:58 ? 次閱讀
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HBM(High Bandwidth Memory,高帶寬存儲)已成為現(xiàn)代高端FPGA的一個重要標(biāo)志和組成部分,尤其是在對帶寬要求越來越高的現(xiàn)如今,DDR已經(jīng)完全跟不上節(jié)奏。本篇將分享學(xué)習(xí)一下HBM的基本情況。

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什么是HBM

高帶寬存儲(HBM)是三星、AMD和SK Hynix推出的基于3D堆疊同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SDRAM)的高速計算機(jī)內(nèi)存接口。它使用在高性能圖形加速器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、高性能數(shù)據(jù)中心AI ASIC和FPGA以及一些超級計算機(jī)中。(如NEC SX-Aurora TSUBASA和富士通A64FX) 第一款HBM芯片是由SK Hynix在2013年生產(chǎn)的,而2015年AMD首次研發(fā)了使用這種技術(shù)的GPU芯片。

2013年10月,JEDEC(電子器件工程聯(lián)合會)采用高帶寬內(nèi)存作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第二代HBM2,于2016年1月被JEDEC所承認(rèn)。

HBM memory on an AMD Radeon R9 Nano graphics card‘s GPU package

HBM及其接口

HBM以比DDR4或GDDR5功耗更低,帶寬更高。這是通過堆疊8個DRAM die(3D集成電路)來實現(xiàn)的,包括可選的基die(通常是硅interposer)和memory控制器,該控制器通過硅通孔(TSV)和微突點(microbump)相互連接。HBM技術(shù)與Micron的Hyrid Memory Cube技術(shù)在原理上相似,但不是一回事。

與其他DRAM內(nèi)存(如DDR4或GDDR5)相比,HBM內(nèi)存總線非常寬。一個HBM stack由4個DRAM die(4-Hi)堆疊而成,并擁有8個128位信道(每個die上2個),總寬度為1024位。因此,具有四個4-Hi HBM stack的GPU將擁有4096位寬度的內(nèi)存總線。相比之下,GDDR存儲器的總線寬度為32位,同樣16個信道則只具有512位存儲器接口。HBM支持每個package的容量最多為4GB。

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HBM DRAM與具有分布式接口的主計算die進(jìn)行緊密耦合。該接口被分為若干完全獨(dú)立的信道但信道間不一定完全同步。HBM DRAM使用wide-interface架構(gòu)來實現(xiàn)高速、低功耗運(yùn)算。HBM DRAM使用一個500MHz的差分時鐘CK_t/CK_c(其中后綴“_t”表示差分對的“真”或“正”分量,“_c”代表“互補(bǔ)”分量)。命令在CK_t,CK_c的上升沿進(jìn)行寄存。每個信道接口管理一個128位的數(shù)據(jù)總線,以雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)運(yùn)行。HBM支持每個pin上1GT/s的傳輸速率(傳輸1bit),提供128GB/s的總package帶寬。

HBM2

第二代高帶寬存儲,HBM2,該標(biāo)準(zhǔn)指定了每個stack多達(dá)8個die,將pin傳輸速率提高一倍來到2GT/s。保留1024位寬的存取,HBM2能夠達(dá)到每個package 256GB/s存儲帶寬。HBM2規(guī)范允許每個package容量高達(dá)8GB。HBM2對性能敏感的消費(fèi)類應(yīng)用,如虛擬現(xiàn)實,特別有吸引力。

HBM2 die

HBM2 Controller die

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HBM2 規(guī)范演進(jìn)

HBM2E

2018年底,JEDEC宣布了對HBM2規(guī)范的更新,增加了帶寬和容量。官方規(guī)范現(xiàn)在支持每堆棧高達(dá)307GB/s(2.5Tbit/s有效數(shù)據(jù)速率),盡管以此速度運(yùn)行的產(chǎn)品已經(jīng)問世。此外,該更新還增加了對12-Hi stack(12個die)的支持,使每個堆棧的容量高達(dá)24GB。2019年3月20日,三星宣布了他們的Flashbolt HBM2E,每stack 8個die,傳輸率為3.2GT/s,每stack可提供410GB/s帶寬。2019年8月12日,SK Hynix發(fā)布了他們的HBM2E,每stack8個die,傳輸速率為3.6GT/s,每stack可提供460GB/s帶寬。

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HBM2E 和LPDDR5/4以及GDDR6對比

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各類型存儲的平均器件功耗

下一代HBM

2020年底,Micron公司發(fā)布了下一代標(biāo)準(zhǔn)HBMnext并表示將全程參與JEDEC的標(biāo)準(zhǔn)制定工作,預(yù)計2022年面世。這個未來很有可能是HBM3的標(biāo)準(zhǔn)很可能還是服務(wù)于數(shù)據(jù)中心。

Intel在其Stratix10 MX上集成了HBM2接口。

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Xilinx則是將HBM集成到了其Ultrascale+器件中。

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近年來,F(xiàn)PGA廠商對HBM的態(tài)度甚至比GPU廠商還要積極,隨著數(shù)據(jù)中心上越來越高的性能要求,相信帶有HBM3的FPGA也會在不遠(yuǎn)的未來和大家見面。

原文標(biāo)題:現(xiàn)代高端FPGA的重要拼圖:HBM

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審核編輯:彭靜
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