Néhány éve már tudható, hogy az AMD a GDDR5 leváltására egy újfajta memóriaszabványt szemelt ki, ami a HBM (High-Bandwidth Memory) nevet viseli. Az AMD a siker érdekében együttműködésbe lépett az SK Hynix szakembereivel, hogy együttes erőikkel kifejlesszék a HBM alkalmazásához szükséges technológiákat. Az együttműködésről először 2011-ben esett szó, amikor a felek bejelentették, hogy közös munkával vágnak bele a HBM memóriaszabvány kifejlesztésébe, illetve a gyakorlati alkalmazásához szükséges feltételek megteremtésébe.

HBM témakörben azóta több fontos információ is érkezett – legutóbb meg is csodálhattuk, hogyan néznek ki a HBM lapkák. Az AMD néhány nappal ezelőtt, a 2015-ös Financial Analyst Day alkalmával bővebb tájékoztatást is adott a rendezvény résztvevőinek a HBM előnyriről, most pedig a publikum számára is nyilvánossá vált minden adat.

Új memóriaszabványra van szükség

A GDDR memória-szabvány legfrissebb képviselői, a GDDR5-ös memóriachipek negyedik generációs megoldások. A GDDR5, illetve az azt megelőző grafikus memóriaszabvány köré elsőként mindig az AMD épített termékeket, és úgy néz ki megint ők váltanak először (de már tudjuk, hogy természetesen az Nvidia is tervezi a jövőben a HBM bevezetését).

A HBM kifejlesztésére egyszerű ok miatt volt szükség: a GDDR5 minden tekintetben elérte a határait, gyorsabb GDDR szabvány fejlesztésének pedig nem lenne értelme, hiszen elődjénél már a GDDR5-is jelentősen többet fogyasztott, ha a komplett memória-alrendszer fogyasztását vesszük alapul, minden komponensével együtt. A GDDR5-ös memória-szabvány már közel 7 éve van jelen a felsőkategóriás megoldások piacán, ez pedig minden korábbi memória-technológiánál hosszabb időt jelent. A GDDR5-ös memóriaszabvány köré épülő megoldások a korábbi tervekhez képest sokkal magasabb órajel-szintig jutottak el a szabvány fejlődése során, ám most már sikerült elérni a limitet, ahonnan további órajel-növeléssel a hosszabb távú célokat szem előtt tartva semmiképpen nem lehet továbblépni.

A teljes GDDR5-ös memória-alrendszer az őt megelőző memóriaszabvány képviselőinél alapból többet fogyaszt, ezen az úton pedig csak még további fogyasztás-növelés árán lehetne tovább menetelni, ami abszolút nem elfogadható irány a piac szereplői számára. Az AMD becslései alapján egy 250 wattos TDP-vel rendelkező R9 290X videokártya esetében a GDDR5-ös memória-alrendszer a teljes fogyasztás mintegy 15-20%-át adja, ami nagyon sok.

További gyorsulással tovább emelkedne a memória-alrendszer fogyasztása, ami PC fronton is probléma, a mobil konfigurációknál pedig még ennél is súlyosabb kérdés.

Itt jön képbe a HBM

A GDDR5 utáni éra a HBM színrelépésével kezdődik, ami egy meglehetősen frappáns megoldás. A vállalat szakembereit már régóta foglalkoztatja a kérdés, hogy miként lehetne a chiphez minél közelebb pakolni a VRAM-ot. Első ötletként felmerült, hogy integrálják a lapkára a DRAM-ot, ám ezt a koncepciót süllyesztőbe dobták, hiszen sem helytakarékosnak, sem költséghatékonynak nem nevezhető.

További ötletelés után megszületett a HBM koncepciója, ám itt meg kellett oldani egy új problémát: ki kellett találni, hogyan lehet lapkára ültetni a széles memóriabuszt használó megoldást úgy, hogy a lapkán elférjen a több ezer vezeték, de a végeredmény ezzel együtt kellően kompakt is lehessen.

A kihívást egy speciális réteg, az úgynevezett interposer segítségével oldották meg, ennek kifejlesztéséhez pedig az AMD segítségére sietett az ASE, az Amkor és az UMC is. Az új, mindössze néhány száz mikronnyi vastagságú megoldás jóvoltából a VRAM rendkívül közel került a GPU-hoz, ami komoly előny, de az eljárásnak egy hátránya is van: drága.

Mivel az interposer számára amúgy nincs szükség a legfejlettebb gyártástechnológiára, így költséghatékonysági okokból régi, teljesen leamortizált gyártósorokat is lehet használni. Az első interposerek egy eszközökkel újra felszerelt, 65 nm-es litográfiával dolgozó gyártósoron készülnek, ám idővel gazdaságosabb lehet kifejezetten interposer-gyártásra kifejlesztett szalagok hadrendbe állítása, amelyeket a szerényebb litográfiai igények következtében olcsóbban lehet működtetni.

A HBM technikai részletei

A 4096-bites HBM memóriachipek négy darab 1024-bites adatsínű lapkából állnak, amelyek egymásra vannak tokozva, közöttük pedig függőleges TSV-k teremtenek kapcsolatot – valahogy úgy, ahogy a Samsung 3D V-NAND memóriachipjeinél.

A HBM jelenleg maximum 8 lapkát támogat, és míg a GDDR5-ös chipek 32 biten csatlakoztak a GPU-hoz, addig ezek mint írtuk, 1024-en. Az órajelük viszont sokkal alacsonyabb: míg a jelenlegi csúcs GDDR5-ös chipek 1750 MHz-en (effektíve 7GHz), addig a HBM chipek csak 500 MHz-en ketyegnek (effektíve 1GHz). A GDDR5-ös chipek esetében egyenként 28 GB/s-os sávszélesség érhető el, míg a HBM esetében ez az érték bőven 100 GB/s felett helyezkedik el. Nem elhanyagolható az tény az sem, hogy a HBM lapkákhoz csak 1,3 voltos üzemi feszültség szükséges, míg a GDDR5 esetében 1,5 volt ez az érték.

A fentiekből fakadó előny jelentős, hiszen a HBM sokkal jobb sávszélesség/fogyasztás arányt biztosít, mint a GDDR5. A GDDR5 esetében wattonként 10,66 GB/s-os, a HBM esetében pedig wattonként 35 GB/s feletti hatékonyság érhető el, azaz a különbözet valamivel több, mint háromszoros javulást mutat.

Ehhez még hozzájön a helytakarékosságból fakadó előny is, ami szintén jelentős. Míg 1 GB-nyi GDDR5-ös fedélzeti memória 28 x 24 milliméternyi, azaz 672 négyzetmilliméternyi helyet foglal, addig HBM-ből ugyanennyi 5 x 7 milliméteren, azaz 35 négyzetmilliméteren is elfér. Ezáltal komoly mennyiségű hely takarítható meg.

Hogy ez PCB méret esetén mit jelent? Míg egy R9 290X videokártya 9900 négyzetmilliméteren terül el, addig a következő generációs, HBM alapú felsőkategóriás megoldásnak már 4900 négyzetmilliméternél kevesebb hely is elég, ami 50%-os megtakarítást eredményez – vagyis az új csúcs VGA-k sokkal kisebbek lehetnek.

Az AMD bejelentése szerint a HBM alapú videokártyák még ebben a negyedévben elrajtolhatnak, így rövidesen minden felmerülő kérdésre választ kaphatunk.