DRAM短缺，何時(shí)休？

解決DRAM供應(yīng)問題有兩條路徑：技術(shù)創(chuàng)新或新建晶圓廠。

如今科技領(lǐng)域似乎一切都圍繞AI展開，而事實(shí)也的確如此。在計(jì)算機(jī)內(nèi)存市場(chǎng)，這一點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯。為AI數(shù)據(jù)中心中GPU及其他加速芯片提供支持的DRAM需求極其旺盛、利潤(rùn)空間巨大，導(dǎo)致原本用于其他領(lǐng)域的內(nèi)存產(chǎn)能被分流，價(jià)格也隨之暴漲。據(jù) Counterpoint Research數(shù)據(jù)，本季度截至目前，DRAM 價(jià)格已上漲80%～90%。

頭部AI硬件企業(yè)表示，其芯片供應(yīng)已鎖定至 2028 年，但這使得其他廠商，包括個(gè)人電腦制造商、消費(fèi)電子廠商，以及所有需要臨時(shí)存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的設(shè)備廠商，都不得不倉(cāng)促應(yīng)對(duì)內(nèi)存供應(yīng)緊缺與價(jià)格高企的局面。

電子行業(yè)為何會(huì)陷入這一困境？更重要的是，該如何走出困局？經(jīng)濟(jì)學(xué)家與內(nèi)存領(lǐng)域?qū)＜冶硎荆?dāng)前局面是DRAM行業(yè)周期性繁榮與衰退疊加前所未有的AI硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)浪潮共同導(dǎo)致的結(jié)果。除非AI行業(yè)出現(xiàn)重大崩盤，否則新增產(chǎn)能與新技術(shù)需要數(shù)年時(shí)間才能讓供需重新回歸平衡。即便到那時(shí)，內(nèi)存價(jià)格也可能依然居高不下。

要理解這一事件的來(lái)龍去脈，就必須認(rèn)識(shí)到造成供需劇烈波動(dòng)的核心——高帶寬內(nèi)存（HBM）。

什么是HBM？

HBM是DRAM行業(yè)借助3D 芯片封裝技術(shù)，試圖突破摩爾定律放緩趨勢(shì)的產(chǎn)物。每一顆HBM芯片由多達(dá) 12 片經(jīng)過減薄處理的DRAM裸芯片（die）堆疊而成。每片裸芯片都包含被稱為硅通孔（TSV）的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。這些裸芯片相互堆疊，并通過與硅通孔對(duì)應(yīng)的微型焊球陣列連接。這座 “DRAM 塔”—— 厚度僅約 750 微米，與其說(shuō)是塔，更像一座粗野主義風(fēng)格的辦公樓 —— 會(huì)進(jìn)一步堆疊在基底裸芯片上，由基底芯片在內(nèi)存裸芯片與處理器之間傳輸數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜的芯片會(huì)被安置在距離 GPU 或其他AI加速器約 1 毫米的范圍內(nèi)，并通過多達(dá) 2048 個(gè)微米級(jí)接口相連。HBM 芯片通常部署在處理器兩側(cè)，與 GPU 封裝為一個(gè)整體。

與 GPU 如此緊密、高密度互聯(lián)的設(shè)計(jì)初衷，是為了打破內(nèi)存墻。所謂內(nèi)存墻，指的是運(yùn)行大語(yǔ)言模型所需的每秒 TB 級(jí)數(shù)據(jù)在傳入 GPU 時(shí)，在能耗與延遲上存在的瓶頸。內(nèi)存帶寬是限制大語(yǔ)言模型運(yùn)行速度的關(guān)鍵因素。

HBM 作為一項(xiàng)技術(shù)已存在十余年，DRAM 廠商也一直在持續(xù)提升其性能。

隨著AI模型規(guī)模不斷擴(kuò)大，HBM 對(duì) GPU 的重要性也與日俱增，但這也伴隨著高昂成本。SemiAnalysis 估算，HBM 的成本通常是其他類型內(nèi)存的三倍，占封裝后 GPU 總成本的50% 及以上。

內(nèi)存芯片短缺的根源

內(nèi)存與存儲(chǔ)行業(yè)觀察人士普遍認(rèn)為，DRAM 是一個(gè)周期性極強(qiáng)的行業(yè)，繁榮與蕭條交替出現(xiàn)。存儲(chǔ)與內(nèi)存專家、Coughlin Associates 總裁托馬斯?科格林解釋稱，新建一座晶圓廠成本高達(dá) 150 億美元甚至更高，企業(yè)對(duì)擴(kuò)產(chǎn)極為謹(jǐn)慎，通常只有在行業(yè)繁榮期才有足夠資金投入。而一座工廠從建設(shè)到投產(chǎn)需要 18 個(gè)月甚至更久，這幾乎注定新增產(chǎn)能會(huì)在需求爆發(fā)很久之后才落地，進(jìn)而導(dǎo)致市場(chǎng)供過于求、價(jià)格下跌。

科格林表示，本輪周期的源頭可以追溯至新冠疫情期間的芯片供應(yīng)恐慌。為避免供應(yīng)鏈中斷，并支撐遠(yuǎn)程辦公的快速普及，亞馬遜、谷歌、微軟等超大規(guī)模云服務(wù)商大肆囤積內(nèi)存與存儲(chǔ)芯片，推動(dòng)價(jià)格上漲。

但到了 2022 年，供應(yīng)鏈逐步恢復(fù)常態(tài)，數(shù)據(jù)中心擴(kuò)張放緩，內(nèi)存與存儲(chǔ)價(jià)格暴跌。這一下行趨勢(shì)持續(xù)至 2023 年，三星等頭部存儲(chǔ)大廠甚至減產(chǎn) 50%，以避免售價(jià)跌破生產(chǎn)成本。科格林指出，這是極為罕見且近乎孤注一擲的舉措，因?yàn)槠髽I(yè)通常需要滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)才能收回投資。

2023 年末行業(yè)開始復(fù)蘇后，“所有內(nèi)存與存儲(chǔ)企業(yè)都對(duì)再次擴(kuò)產(chǎn)持極為謹(jǐn)慎的態(tài)度”，科格林稱。“因此，2024 年全年及 2025 年大部分時(shí)間里，行業(yè)幾乎沒有對(duì)新增產(chǎn)能進(jìn)行投資。”

AI數(shù)據(jù)中心的爆發(fā)式增長(zhǎng)

投資不足與新興數(shù)據(jù)中心的爆發(fā)式需求正面相撞。據(jù) Data Center Map 統(tǒng)計(jì)，目前全球有近 2000 座新建數(shù)據(jù)中心處于規(guī)劃或建設(shè)中。若全部建成，將在當(dāng)前約9000座的全球總量基礎(chǔ)上提升20%。

麥肯錫預(yù)測(cè)，如果現(xiàn)有建設(shè)節(jié)奏持續(xù)，到 2030 年相關(guān)企業(yè)總投資將達(dá)到7 萬(wàn)億美元，其中5.2 萬(wàn)億美元投向AI數(shù)據(jù)中心。該機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，其中 33 億美元將用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

迄今為止，AI數(shù)據(jù)中心熱潮最大的贏家無(wú)疑是 GPU 廠商英偉達(dá)。其數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)營(yíng)收從 2019 年第四季度的僅約 10 億美元，飆升至 2025 年 10 月結(jié)束季度的510 億美元。在此期間，其服務(wù)器 GPU 不僅對(duì)DRAM容量需求持續(xù)攀升，對(duì)DRAM芯片數(shù)量的要求也越來(lái)越高。英偉達(dá)最新推出的 B300 芯片使用 8 顆HBM芯片，每顆均由 12 層DRAM裸芯片堆疊而成。其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也基本效仿這一方案，例如 AMD 的 MI350 GPU 同樣采用 8 顆 12 層堆疊的HBM芯片。

在旺盛需求下，DRAM 廠商營(yíng)收中來(lái)自HBM的占比持續(xù)提升。在 SK海力士、三星之后排名第三的美光表示，HBM 及其他云端相關(guān)內(nèi)存占其DRAM總營(yíng)收的比例從 2023 年的 17% 升至 2025 年的近 50%。

美光首席執(zhí)行官桑杰?梅赫羅特拉在 12 月對(duì)分析師表示，公司預(yù)計(jì)HBM整體市場(chǎng)規(guī)模將從 2025 年的 350 億美元增長(zhǎng)至 2028 年的 1000 億美元。這一規(guī)模超過 2024 年全球DRAM市場(chǎng)總量，比美光此前預(yù)期提前兩年實(shí)現(xiàn)。他稱，在可預(yù)見的未來(lái)，全行業(yè)HBM需求將持續(xù)大幅超過供應(yīng)。

DRAM未來(lái)供應(yīng)與技術(shù)走向

Mkecon Insights 經(jīng)濟(jì)學(xué)家米娜?金解釋：“解決DRAM供應(yīng)問題有兩條路徑：技術(shù)創(chuàng)新或新建晶圓廠。隨著DRAM制程微縮愈發(fā)困難，行業(yè)轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝…… 而這本質(zhì)上是使用更多DRAM芯片。”

美光、三星、SK海力士占據(jù)了內(nèi)存與存儲(chǔ)市場(chǎng)絕大部分份額，三家均在推進(jìn)新廠建設(shè)，但這些產(chǎn)能很難對(duì)平抑價(jià)格起到顯著作用。

美光正在新加坡建設(shè)一座HBM晶圓廠，計(jì)劃 2027 年投產(chǎn)；同時(shí)改造從臺(tái)灣力積電收購(gòu)的廠房，將于 2027 年下半年量產(chǎn)。上月，美光在美國(guó)紐約州奧農(nóng)達(dá)加縣動(dòng)工建設(shè)DRAM晶圓廠園區(qū)，2030 年才能全面投產(chǎn)。

三星計(jì)劃 2028 年在韓國(guó)平澤新廠區(qū)投產(chǎn)。

SK海力士在美國(guó)印第安納州西拉法葉市建設(shè)HBM與封裝廠，預(yù)計(jì) 2028 年底投產(chǎn)；在韓國(guó)清州建設(shè)的HBM工廠將于 2027 年完工。

英特爾首席執(zhí)行官陳立武在思科AI峰會(huì)上表示：“2028 年之前，DRAM 供應(yīng)緊張局面難以緩解。”

由于新增產(chǎn)能數(shù)年之內(nèi)無(wú)法形成有效供給，緩解供應(yīng)壓力還需要依靠其他因素。全球電子產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（原 IPC）首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家肖恩?杜布拉瓦茨稱：“供應(yīng)緩解將來(lái)自幾方面的共同作用：頭部DRAM廠商逐步擴(kuò)產(chǎn)、先進(jìn)封裝良率提升、供應(yīng)鏈多元化程度提高。新建工廠會(huì)帶來(lái)邊際改善，但更快的提升來(lái)自工藝經(jīng)驗(yàn)積累、更高效率的DRAM堆疊技術(shù)，以及內(nèi)存供應(yīng)商與AI芯片設(shè)計(jì)企業(yè)之間更緊密的協(xié)同。”

那么，新廠投產(chǎn)后價(jià)格會(huì)回落嗎？答案或許是否定的。“總體而言，經(jīng)濟(jì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)價(jià)格上漲快、下跌慢且不情愿。如今的DRAM市場(chǎng)也不太可能例外，尤其是在算力需求近乎無(wú)限的背景下。” 金表示。

與此同時(shí)，多項(xiàng)在研技術(shù)可能讓HBM對(duì)硅片的消耗進(jìn)一步增加。HBM4 標(biāo)準(zhǔn)最高可支持 16 層DRAM裸芯片堆疊，而當(dāng)前主流產(chǎn)品僅為 12 層。實(shí)現(xiàn) 16 層堆疊很大程度上取決于芯片堆疊技術(shù)。如何在由硅、焊料和支撐材料構(gòu)成的HBM“千層蛋糕” 中傳導(dǎo)熱量，是進(jìn)一步提升堆疊層數(shù)、優(yōu)化封裝內(nèi)布局以獲得更高帶寬的關(guān)鍵瓶頸。

SK海力士聲稱，其先進(jìn)的大規(guī)模回流模塑底部填充（MRMUF）工藝在導(dǎo)熱方面具備優(yōu)勢(shì)。更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，被稱為混合鍵合的替代芯片堆疊技術(shù)可將裸芯片間垂直距離降至近乎為零，從而改善散熱。2024 年，三星研究人員已證明可通過混合鍵合實(shí)現(xiàn) 16 層堆疊，并表示 20 層堆疊也并非遙不可及。

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