Компания TrendForce опубликовала свежий прогноз по глобальному рынку чипов памяти HBM: аналитики полагают, что спрос на эту продукцию будет быстро расти на фоне стремительно развивающихся ИИ-технологий. Объём поставок HBM в 2024 году может увеличиться на 105 % по сравнению с 2023-м, при этом ожидается смещение фокуса с изделий HBM2e в сторону HBM3.

В 2022 году, как отмечает TrendForce, около 70 % поставок пришлось на чипы HBM2e, тогда как доля HBM3 составила только 8 %. В 2023-м, как ожидается, эти показатели окажутся на уровне 50 % и 39 % соответственно. А в 2024 году решения HBM3 уйдут в отрыв, показав  результат примерно 60 % против 25 % у HBM2e.

Источник изображения: TrendForce

Анализ TrendForce показывает, что 2023–2024 гг. станут ключевыми для развития ИИ, что вызовет значительный рост спроса на чипы HBM. Однако надвигающийся бум производства HBM поставил поставщиков в затруднительное положение: им необходимо найти баланс между удовлетворением потребностей клиентов и недопущением формирования складских излишков из-за перепроизводства. Ещё одной проблемой является потенциальный риск «раздутого» бронирования, поскольку заказчики, ожидающие нехватку HBM, могут переоценить свои потребности.

В настоящее время SK hynix удерживает лидерство в производстве HBM, выступая в качестве основного поставщика таких чипов для ускорителей NVIDIA. Доля SK hynix по итогам 2022 года составила приблизительно 50 %. Ещё 40 % досталось Samsung, оставшиеся 10 % — Micron. В 2023 году, полагает TrendForce, доли SK hynix и Samsung будут колебаться в пределах 46–49 %, а доля Micron составит 4–6 %. В следующем году, согласно прогнозам, позиции SK hynix и Samsung окажутся в диапазоне 47–49 %. Micron будет удерживать 3–5 % отрасли.

Несмотря на то, что поставщики ещё не завершили разработку своих ценовых политик на 2024 год, TrendForce не исключает возможности дальнейшего снижения цен на продукты HBM2 и HBM2e. А вот цены на HBM3, по прогнозам, останутся такими же, как и в 2023 году.

Чем активнее внедряются ИИ-системы, тем важнее становится роль памяти HBM и DDR5, а в особенности её энергоэффективность. Так, в крупномасштабных системах на базе NVIDIA A100 на долю памяти может приходиться до 40 % потребляемой энергии. Неудивительно, что крупные производители памяти объединяют свои усилия с академическими кругами, чтобы разработать более экономичную память нового поколения.

В частности, Samsung на базе CXL и 12-нм техпроцесса уже разработала чипы DDR5 ёмкостью 16 Гбайт, который на 23 % экономичнее в сравнении с аналогичными чипами предыдущего поколения. В содействии с Сеульским национальным университетом (Seoul National University) Samsung продолжает вести работы по дальнейшему снижению энергопотребления. Сам университет также ведёт исследования в этом направлении и уже разработал новую технологию DRAM Translation Layer. Ожидается, что её внедрение поможет снизить энергопотребление DRAM ещё на 31,6 %.

Источник: SK Hynix

Не отстаёт от Samsung и другой крупный производитель устройств памяти, компания SK Hynix. Она представила новое поколение LPDDR5X, в котором применен техпроцесс High-K Metal Gate (HKMG). Благодаря материалу с оптимизированной диэлектрической проницаемостью удалось впятеро повысить заряд в ячейке, снизив при этом токи утечки. В итоге новая память LPDDR5X от SK Hynix может похвастаться на 33 % более высокой производительностью при 20 % экономии в энергопотреблении, в сравнении с предыдущим поколением.

Компания Alphawave Semi анонсировала успешное воплощение в «кремнии» своих PHY-контроллеров HBM3 и UCIe. Что немаловажно, новые IP-блоки производятся с использованием 3-нм техпроцесса TSMC, что делает их весьма экономичными решениями и открывает путь к ещё более быстрым чиплетным платформам для рынка ЦОД и гиперскейлеров.

Компания, по её собственным словам, стала первым в мире разработчиком, представившим PHY для UCIe, который работает на скорости 24 Гбит/с на линию и обеспечивает совокупную пропускную способность 7,9 Тбит/с на миллиметр. При этом благодаря применению 3-нм техпроцесса TSMC он же обеспечивает и беспрецедентную экономичность, расходуя всего 0,3 пДж/бит.

Изображение: Alphawave Semi

Новый IP совместим с другими разработками Alphawave Semi, в частности, может работать вместе с блоками PCIe и CXL. Также он поддерживает продвинутые технологии упаковки, такие, как TSMC Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) и Integrated Fan-Out (InFO), в том числе использующие органический субстрат, что удешевляет интеграцию.

Соответствующими скоростными характеристиками может похвастаться и PHY-контроллер HBM3. Он поддерживает 16 каналов, работающих на скорости 8,6 Гбит/с, при этом очень компактен и экономичен и полностью совместим со стандартами JEDEC. Благодаря возможностям тонкой подстройки контроллер можно идеально подогнать к потребностям конкретных решений, включая ИИ и HPC.

Согласно заявлению Alphawave Semi, два новых IP-блока станут ключевыми в чиплетном IP-портфолио компании. Благодаря им крупные гиперскейлеры и владельцы ЦОД-инфраструктуры смогут гибко проектировать и реализовывать кастомные SoC, отвечающие всем современным требованиям.

Celestial AI, получившая $100 млн инвестиций, объявила о разработке интерконнекта Photonic Fabric, покрывающего все ниши: межкристалльного (chip-to-chip), межчипового (package-to-package) и межузлового (node-to-node) обмена данными.

На рынке уже есть решения вроде Lightmatter Passage или Ayar Labs TeraPhy I/O. Тем не менее, Celestial AI привлекла внимание множества инвесторов, в том числе Broadcom. Последняя поможет в разработке прототипов, которые должны увидеть свет в течение 18 месяцев. В основе технологий Celestial AI лежит сочетание кремниевой фотоники и техпроцесса CMOS (TSMC, 4 или 5 нм), разработанных совместно с Broadcom.

При этом речь идёт не об обычном «глупом» интерконнекте — разработчики говорят о блоках маршрутизации и коммутации на любом «конце» волокна. Разработка позволит объединить в одной упаковке несколько ASIC или даже SoC посредством оптического интерпозера или моста OMIB (multi-chip interconnect bridge). Celestial AI утверждает, что её технологии эффективнее, чем у конкурентов, и позволяет объединить несколько чипов с теплопакетами в районе сотен ватт.

Источник здесь и далее: Celestial AI

Пока что технология опирается на 56-Гбит/с трансиверы SerDes. С четырьмя портами на узел и четырьмя линиями на порт речь идёт о пропускной способности до 1,8 Тбит/с на 1 мм² чипа, что позволяет «прокормить» полноценную сборку из четырёх кристаллов HBM3. Второе поколение Photonic Fabric будет использовать уже 112-Гбит/с SerDes-блоки, что поднимет пропускную способность вчетверо, до 7,2 Тбит/с на мм².

Интерконнект Celestial AI не зависит от проприетарных протоколов, в его основе лежат стандарты Compute Express Link (CXL) и Universal Chiplet Interconnect (UCIe), а также JEDEC HBM. В настоящее время сдерживающим фактором разработчики называют сами шины PCIe и UCIe. Их интерконнект, считают они, способен на большее.

TrendForce отметила в своём новом исследовании, что в связи с резким ростом популярности приложений генеративного ИИ ведущие провайдеры облачных решений, включая Microsoft, Google, AWS, а также китайские технологические гиганты, такие как Baidu и ByteDance, значительно увеличили приобретение ИИ-серверов, необходимых для обучения и оптимизации ИИ-моделей.

Ажиотаж вокруг генеративного ИИ стал стимулом для разработки более мощных ИИ-серверов и роста этого сегмента рынка. Как полагают аналитики TrendForce, производители будут расширять использование в ИИ-системах передовых технологий, применяя мощные ускорители вычислений и высокопроизводительную память HBM в сочетании с современными методами упаковки чипов. Согласно прогнозу TrendForce, в течение 2023–2024 гг. вырастет спрос на HBM, а также на 30–40 % увеличатся мощности для выпуска чипов с использованием передовых методов упаковки.

Источник изображения: NVIDIA

TrendForce отметила, что для повышения вычислительной эффективности ИИ-серверов и увеличения пропускной способности памяти ведущие производители ИИ-микросхем, включая NVIDIA, AMD и Intel, наращивают использование HBM. В настоящее время у чипов NVIDIA A100/H100 имеется 80 Гбайт памяти HBM2e/HBM3. В суперчипе GH200 Grace Hopper используется ускоритель NVIDIA H100 с 96 Гбайт памяти HBM3.

В чипах серии AMD Instinct MI300 тоже используется память HBM3: у версии MI300A её ёмкость составляет 128 Гбайт, а у более продвинутой версии MI300X — 192 Гбайт. Также ожидается, что Google в рамках расширения ИИ-инфраструктуры начнёт в конце 2023 года в партнёрстве с Broadcom производство обновлённых тензорных чипов TPU, тоже с использованием памяти HBM.

Источник изображения: AMD

Согласно прогнозу TrendForce, в 2023 году будет выпущено ИИ-ускорителей с общим объёмом памяти HBM в пределах 290 млн Гбайт, что означает рост год к году на 60 %. В 2024 рост объёмов выпуска памяти HBM составит 30 % или более. Также будет расти спрос на передовые технологии упаковки чипов для сферы ИИ и высокопроизводительных вычислений (HPC). При этом преобладающим методом для ИИ-чипов будет Chip on Wafer on Substrate (CoWoS) от TSMC, позволяющий разместить на одной подложке до 12 стеков памяти HBM.

По оценкам TrendForce, с начала 2023 года спрос на CoWoS вырос почти на 50 % на фоне роста популярности ускорителей NVIDIA A100 и H100. Ожидается, что к концу года ежемесячный выпуск TSMC чипов с применением CoWoS вырастет до 12 тыс. Во второй половине 2023 года возможности заказа выпуска чипов с применением CoWoS будут ограничены в связи с растущим спросом на ИИ-чипы со стороны AMD, Google и других компаний.

Высокий спрос на использование CoWoS сохранится до 2024 года с прогнозируемым ростом производственных мощностей по упаковке этим методом на 30–40 % с учётом готовности соответствующего оборудования. Аналитики TrendForce не исключают возможности использования NVIDIA альтернативных технологий упаковки для производства ускорителей в случае сохранения высокого спроса на системы ИИ. Речь идёт о разработках компаний Samsung и Amkor.

Исследование, проведённое компанией TrendForce, говорит о том, что многие поставщики облачных услуг (CSP) начали крупномасштабные инвестиции в ИИ-оборудование. Связано это с развитием платформ интеллектуального Интернета вещей (AIoT), периферийных вычислений и появлением приложений вроде ChatGPT.

По оценкам TrendForce, в 2022 году на ИИ-серверы, оснащённые GPGPU-ускорителями, приходилось менее 1 % от суммарного объёма поставок серверов в мировом масштабе. В текущем году, как ожидается, отгрузки таких систем вырастут на 8 %. В целом, в период с 2022 по 2026 гг. прогнозируется показатель CAGR (среднегодовой темп роста в сложных процентах) на уровне 10,8 %.

В 2022-м примерно 66,2 % от всех закупок ИИ-серверов пришлось на четырёх IT-гигантов — Google, AWS, Meta✴ и Microsoft. Среди китайских гиперскейлеров лидером по закупкам таких серверов в 2022 году стала компания ByteDance с долей 6,2 %. Далее следуют Tencent, Alibaba и Baidu с результатом 2,3 %, 1,5 % и 1,5 % соответственно.

Источник изображения: TrendForce

В плане аппаратного обеспечения, как отмечается, для ИИ-нагрузок применяются преимущественно ускорители H100, A100 и A800 разработки NVIDIA, а также решения MI250 и MI250X производства AMD. Причём изделие A800 разработано специально для китайского рынка. По оценкам TrendForce, NVIDIA контролирует около 80 % соответствующего сегмента, а AMD — оставшиеся 20 %.

ИИ-ускорители используют HBM. По оценкам TrendForce, на долю такой памяти в настоящее время приходится около 1,5 % от общего объёма рынка DRAM. Ведущими поставщиками HBM являются Samsung, SK hynix и Micron. Согласно прогнозам TrendForce, рынок HBM будет устойчиво расти: показатель CAGR здесь составит более 40–45 % в период с 2023 по 2025 год. Ожидается, что SK hynix станет доминирующим поставщиком HBM3, поскольку только она способна массово производить такие решения, которые взяты на вооружение компанией NVIDIA.

Если объединить потребности ChatGPT и других приложений Microsoft, то в 2023 году корпорация может заказать около 25 000 ИИ-серверов. Baidu, в свою очередь, может закупить около 2000 ИИ-серверов для своего бота ERNIE и других интеллектуальных приложений.

Концепция вычислений в памяти (in-memory computing) имеет ряд преимуществ при построении HPC-систем, и компания Samsung сделала в этой области важный шаг. Впервые на практике южнокорейский гигант совместил в экспериментальном суперкомпьютере свои чипы in-memory с ускорителями AMD Instinct. Согласно заявлениям Samsung, такое сочетание даёт существенный прирост производительности при обучении «тяжёлых» ИИ-моделей. При этом улучшаются и показатели энергоэффективности.

Новая система насчитывает 96 ускорителей AMD Instinct MI100, каждый из которых дополнен фирменной памятью HBM-PIM с функциями processing-in-memory. В состав системы входит 12 вычислительных узлов с 8 ускорителями в каждом. Шестёрка узлов связана с другой посредством коммутаторов InfiniBand. Используется 16 линков со скоростью 200 Гбит/с.

Здесь и далее источник изображений: Samsung

Кластер Samsung нельзя назвать рекордсменом, но результаты получены весьма обнадёживающие: в задаче обучения языковой модели Text-to-Test Transfer Transformer (T5), разработанной Google, использование вычислительной памяти позволило снизить время обучения в 2,5 раза, а потребление энергии при этом сократилось в 2,7 раза.

Технология весьма дружественна к экологии: по словам Samsung, такой кластер с памятью HBM-PIM способен сэкономить 2100 ГВт·час в год, что в пересчёте на «углеродный след» означает снижение выбросов на 960 тыс. т за тот же период. Для поглощения аналогичных объёмов углекислого газа потребовалось бы 10 лет и 16 млн. деревьев.

Компания уверена в своей технологии вычислений в памяти и посредством SYCL уже подготовила спецификации, позволяющие разработчикам ПО использовать все преимущества HBM-PIM. Также Samsung активно работает над похожей концепцией PNM (processing-near-memory), которая найдёт своё применение в модулях памяти CXL.

Устройство Samsung HBM-PIM

Работы по внедрению PIM и PNM Samsung ведёт давно, ещё на конференции Hot Chips 33 в прошлом году она объявила, что намерена оснастить вычислительными ускорителями все типы памяти — не только HBM2/3, но и DDR4/5. Тогда же впервые был продемонстрирован рабочий образец HBM-PIM, где каждый чип был оснащён ускорителем с FP16-производительностью 1,2 Тфлопс.

Таким образом, первая HPC-система с технологией PIM полностью доказала работоспособность концепции вычислений в памяти. Samsung намеревается активно продвигать технологии PIM и PNM как в ИТ-индустрии, так и в академической среде, главном потребителе ресурсов суперкомпьютеров и кластерных систем.