Samsung HBM: удалось ли совершить прорыв?

Конкуренция в области HBM следующего поколения смещается от производительности чипов DRAM к передовым технологиям корпусной сборки.

По сообщению Damnang от 7 октября, основанному на интервью с профильными техническими специалистами, SK Hynix столкнулась с трудностями при разработке технологии гибридного соединения (Hybrid Bonding) для HBM следующего поколения, тогда как Samsung Electronics, как утверждается, уже начала поставлять клиентам образцы, использующие эту технологию. Если эта информация получит дальнейшее подтверждение, Samsung может получить преимущество на этапе проверки передовой технологии корпусной сборки для HBM следующего поколения.

Однако эта информация исходит не из официальных заявлений обеих компаний, а основана на интервью с техническими специалистами и вторичных сообщениях. В публикации не указаны конкретное поколение HBM, количество слоёв стека и информация о клиентах, поэтому пока недостаточно данных, чтобы судить о реальном разрыве в разработках, и тем более нельзя утверждать, что Samsung уже полностью лидирует в конкуренции за HBM следующего поколения.

Что ещё важнее, прогресс SK Hynix в технологии гибридного соединения не равнозначен прогрессу в разработке её продуктов HBM следующего поколения.

18 июня SK Hynix объявила о поставке ключевым клиентам образцов 12-слойного HBM4E ёмкостью 48 ГБ, изготовленных по её существующей технологии корпусной сборки Advanced MR-MUF. Компания заявила, что по сравнению с HBM4 тепловое сопротивление этого продукта улучшено на 17%.

Это означает, что даже при возникновении трудностей с разработкой гибридного соединения SK Hynix продолжает продвигать продукты HBM следующего поколения по существующему маршруту корпусной сборки. По-настоящему важный вопрос заключается в том, насколько традиционные процессы корпусной сборки смогут удовлетворять требованиям по производительности, теплоотводу и высоте корпуса по мере увеличения числа слоёв стека HBM, и какие производственные барьеры необходимо преодолеть гибридному соединению для достижения серийного производства.

Почему гибридное соединение становится важным направлением для HBM следующего поколения?

HBM обеспечивает высокую пропускную способность памяти для GPU и ИИ-ускорителей за счёт вертикального стекирования нескольких чипов DRAM. По мере роста масштабов моделей ИИ HBM требуется не только увеличивать ёмкость и пропускную способность, но и контролировать энергопотребление и тепловыделение в ограниченном пространстве корпуса.

В настоящее время при традиционном стекировании HBM обычно используются микровыступы (Micro Bump) для соединения верхнего и нижнего слоёв чипов, а зазоры между чипами обрабатываются с помощью соответствующих материалов для заполнения и защиты. Advanced MR-MUF от SK Hynix является представителем этого технологического маршрута: за счёт оптимизации соединений микровыступов и процессов заполнения и отверждения жидкого защитного материала улучшаются надёжность и теплоотвод стековой структуры.

Гибридное соединение (Hybrid Bonding) пытается ещё больше снизить зависимость от микровыступов. Эта технология напрямую соединяет медные межсоединения на поверхностях верхнего и нижнего чипов, одновременно скрепляя окружающие диэлектрические изолирующие слои, что позволяет уменьшить пространство, занимаемое традиционными межсоединениями.

Её преимущество в том, что меньший шаг межсоединений и более короткие электрические связи потенциально повышают плотность межсоединений, снижают потери при передаче сигнала и создают условия для более плотного стекирования DRAM. Уменьшение количества промежуточных материалов в интерфейсе соединения также может улучшить теплопроводность.

По мере перехода HBM от 12 слоёв к 16 и более слоям пространственные ограничения между чипами и нагрузка на теплоотвод станут ещё более выраженными, что повышает потенциальную ценность гибридного соединения.

Samsung уже 17 марта в презентации для мероприятий, связанных с GTC, представила технологию гибридного медного соединения HCB, позиционируя её как техническое решение для поддержки HBM следующего поколения с 16 и более слоями. Samsung заявила, что по сравнению с традиционным термокомпрессионным соединением (TCB) HCB потенциально снижает тепловое сопротивление более чем на 20%.

Это технологическое направление перекликается с сообщениями о прогрессе с образцами, однако демонстрация технологии не означает, что продукт уже запущен в серийное производство. Заявленное Samsung улучшение теплового сопротивления также нельзя напрямую сравнивать с данными SK Hynix об улучшении HBM4E на 17% по сравнению с предыдущим поколением: в первом случае сравниваются методы соединения, во втором — продукты разных поколений, и базы сравнения не совпадают.

Настоящая сложность — сделать процесс соединения стабильно воспроизводимым

Сложность производства гибридного соединения далеко не ограничивается точным совмещением и скреплением двух чипов.

Согласно описанию процесса от Applied Materials, химико-механическая полировка (CMP) является одним из ключевых этапов. Производителю необходимо точно контролировать соотношение высот медных контактных площадок и окружающего диэлектрического слоя, чтобы поверхность соединения соответствовала требованиям плоскостности нанометрового уровня.

Если медная поверхность слишком углублена, верхняя и нижняя медные структуры могут не получить достаточного контакта; если медная поверхность слишком выступает, это может помешать соединению диэлектрических слоёв и повысить риск дефектов интерфейса. Поэтому плоскостность поверхности соединения, высота медных площадок и однородность по всей площади должны строго контролироваться.

В то же время частицы, образующиеся при полировке и резке пластин, загрязнение поверхности, а также изменение свойств поверхности после активации с течением времени могут влиять на качество соединения. Это требует от производителя согласованного управления очисткой, обработкой поверхности, чистотой среды и временным окном соединения.

Иными словами, гибридное соединение (Hybrid Bonding) — это не проблема, которую можно решить покупкой одного высокоточного оборудования для соединения. Полировка, очистка, контроль, совмещение чипов и соединение должны образовать стабильную технологическую цепочку, чтобы успешное соединение в лаборатории превратилось в воспроизводимый результат серийного производства.

Структурные особенности самого HBM ещё больше усложняют задачу.

Чтобы контролировать высоту корпуса при увеличении числа слоёв стека, чипы DRAM необходимо постоянно утоньшать. Но чем тоньше чип, тем легче он подвержен короблению под воздействием механических напряжений, что повышает риск отклонений позиционирования и дефектов соединения. С увеличением числа слоёв стека множественные интерфейсы соединения означают и больше потенциальных точек отказа.

Однако в настоящее время нет достоверной информации о том, на каком именно этапе SK Hynix столкнулась с трудностями. CMP, загрязнение поверхности и коробление чипов — это общие производственные вызовы для гибридного соединения, и их нельзя напрямую считать причиной нынешних затруднений в разработке.

От технической проверки до серийного производства — барьер выхода годных

Индустриализация гибридного соединения также зависит от конкретного способа соединения чипов.

imec ранее демонстрировала технологию соединения пластина-к-пластине (Wafer-to-Wafer), при которой две пластины целиком совмещаются и скрепляются. Такой способ позволяет обрабатывать большое количество чипов за один раз, но если дефектные чипы также будут соединены, это может повлиять на общий выход годных.

Другой способ — соединение кристалл-к-пластине (Die-to-Wafer), при котором сначала отбираются годные чипы, а затем они по одному размещаются на целевой пластине для соединения. Его преимущество в возможности приоритетно использовать проверенные годные чипы, но поштучный подъём, позиционирование и соединение создают вызовы для производительности.

В материалах новостного центра SK Hynix приводится интерпретация профессора Университета Инха Сынхван Джу, в которой отмечается, что соединение кристалл-к-пластине (Die-to-Wafer Bonding) развивается в направлении коммерческого применения в HBM. Это показывает, что точность соединения, доказанная в экспериментах на уровне пластин, и требования по выходу годных и производительности для многослойного стекирования HBM — не одно и то же.

Производители оборудования также совершенствуют технологическую цепочку вокруг этой производственной задачи.

1 октября Applied Materials и Besi объявили о расширении сотрудничества в области передовой корпусной сборки. Стороны объединят технологические процессы Applied Materials в области полировки, очистки и метрологического контроля с технологиями Besi по размещению и соединению чипов; одним из результатов стала интегрированная система гибридного соединения кристалл-к-пластине Kinex.

Это сотрудничество показывает, что конкуренция в области гибридного соединения смещается от точности отдельного оборудования к способности интеграции процессов до и после соединения. Однако имеющиеся данные не указывают на то, что Samsung или SK Hynix уже используют эту систему.

Для производителей HBM настоящий вызов состоит в том, чтобы каждый интерфейс соединения оставался стабильным, а после многослойного стекирования продукт по-прежнему удовлетворял требованиям надёжности, при этом производительность и себестоимость оставались в приемлемых пределах. Успешное соединение образцов — лишь первый шаг.

Сможет ли преимущество Samsung на образцах превратиться в конкурентоспособность в серийном производстве?

Если информация в этом сообщении верна и Samsung уже поставила клиентам образцы HBM с гибридным соединением (Hybrid Bonding), то её преимущество прежде всего проявляется в темпах разработки и клиентской валидации. Более ранний выход на клиентские испытания помогает заранее выявить проблемы с надёжностью соединения, теплоотводом и системной интеграцией, накапливая опыт для последующей разработки продуктов.

Однако между поставкой образцов и серийным производством всё ещё существует дистанция. Прогресс клиентской сертификации, выход годных при массовом производстве, себестоимость и доступные объёмы поставок — вот ключевые показатели, определяющие, сможет ли технологическое преимущество превратиться в коммерческую конкурентоспособность.

В то же время SK Hynix уже продвигает поставки образцов HBM4E по технологии Advanced MR-MUF, что показывает, что традиционный маршрут корпусной сборки по-прежнему играет свою роль. Новое гибридное соединение не означает, что существующие процессы немедленно уйдут с рынка: оба маршрута могут развиваться параллельно, а конкретный выбор зависит от требований к производительности продукта, производственных возможностей и экономики серийного производства.

Поэтому пока нельзя лишь на основании одного интервью делать вывод, что Samsung уже полностью лидирует, равно как нельзя приравнивать трудности SK Hynix с гибридным соединением к остановке разработки её продуктов HBM.

На следующем этапе более пристального внимания заслуживает то, в каком поколении HBM и при каком количестве слоёв стека каждая из сторон внедрит гибридное соединение, а также появятся ли существенные различия в клиентской сертификации, сроках серийного производства и показателях выхода годных.

Конкуренция в области HBM смещается от простого увеличения числа слоёв стека к системной конкуренции в области дизайна памяти, процессов соединения, управления теплоотводом и передовой корпусной сборки. Гибридное соединение (Hybrid Bonding) способно дополнительно раскрыть потенциал высокоплотного стекирования, но в конечном счёте его промышленную ценность определит не возможность изготовить партию образцов, а способность превратить технологическое преимущество в устойчивую способность к поставкам за счёт стабильного выхода годных, разумной себестоимости и достаточных производственных мощностей.

Заключение

На самом деле за этой новостью скрывается ещё один пласт информации: рыночная доля Samsung в HBM значительно выросла.

Прежде всего, следует признать, что в текущих объёмах поставок HBM, где доминируют HBM3E и HBM4, SK Hynix является ведущим производителем с долей рынка 50%. Однако мы также видим, что доля SK Hynix несколько снизилась: ранее компания занимала до 64% мировых расходов на память HBM.

Тем не менее, по данным Counterpoint Research, доля Samsung на рынке HBM выросла с 21% в первом квартале до 33% во втором квартале, что опустило долю SK Hynix до 30%. Ожидается, что с ростом поставок HBM4 во втором полугодии эта доля ещё увеличится. Рынок прогнозирует, что к 2027 году цены на продукты HBM Samsung более чем удвоятся по сравнению с текущим годом, а контрактные цены на её продукцию будут самыми высокими среди трёх крупнейших производителей памяти, включая SK Hynix и Micron. По данным KB Securities, к 2027 году доля продуктов HBM4 в продажах HBM Samsung, как ожидается, удвоится с 40% в этом году до 80%.

Таким образом, Samsung, похоже, провела впечатляющий разворот в области HBM.