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nand 芯片拆除美光，押错宝？

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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美光，押错宝？

2011年9月，英特尔开发者论坛（IDF）的最后一天，英特尔首席技术官贾斯汀-拉特纳（Justin Rattner）在长达一小时的演讲中，抽出了大约一分钟的时间介绍了一项革命性的技术——HMC（Hybrid Memory Cube，混合内存立方体）。

这项技术由美光和英特尔共同合作开发，虽然被一笔带过，但它的重要性，其实并不比处理器架构迭代要差多少，因为这是内存产业又一次的革命，有望彻底解决过往DDR3所面临的带宽问题。

实际上，早在IDF开始前的8月，美光研究员兼首席技术专家Thomas Pawlowski就在Hot Chips 上详细介绍了HMC，当时虽然没有透露与英特尔的合作，但他表示，HMC是一种三维集成电路创新，它超越了三星等公司展示的处理器-内存芯片堆叠技术，是一种全新的内存-处理器接口架构。

对于美光来说，HMC就是反杀三星海力士两大韩厂的最有力武器。

内存革命

在介绍HMC的时候，Pawlowski 对当时DRAM标准的落后提出了质疑，他认为，出于继续增加带宽并降低功耗和延迟以满足多核处理的需求，对内存的直接控制必须让位于某种形式的内存抽象，DRAM厂商总是需要一个行业标准机构（例如JEDEC）就用于指定 DRAM 的约 80 个参数达成一致，从而产生“最低公分母”解决方案。

他的言外之意就是，美光不打算继续一起慢吞吞地坐下来协商了，既然内存带宽吃紧，那就开发一种全新的高带宽标准，抛开JEDEC那堆框框架架的束缚，自己另立一个山头，而盟主呢，自然就是美光了。

在Pawlowski所公布的全新 HMC 标准中，从处理器到存储器的通信是通过高速 SERDES 数据链路进行的，该链路会连接到 DRAM 堆栈底部的本地逻辑控制器芯片，IDF 上所展示的原型里，4 个 DRAM 通过硅通孔（TSV）连接到逻辑芯片，还描述了多达 8 个 DRAM 的堆叠，值得一提的是，原型里的处理器没有集成到堆栈中，从而避免了芯片尺寸不匹配和散热问题。

HMC本质上其实是一个完整的 DRAM 模块，可以安装在多芯片模块 (MCM) 或 2.5D 无源插接器上，从而更加贴近 CPU，除此之外，美光还介绍了一个"远存储器"的配置，在这以配置中，一部分 HMC 连接到主机，而另一部分 HMC 则通过串行链接连接到其他 HMC，以此来形成存储器立方体网络。

以今天的目光来看，HMC不可谓不先进，而Pawloski也颇感自豪，他表示HMC无需使用复杂的内存调度程序，只需使用一个薄仲裁器即可形成浅队列，HMC从架构上就消除了复杂的标准要求，时序约束不再需要标准化，只有高速 SERDES 接口和外形尺寸才需要标准化，而这部分规范完全可以通过定制逻辑 IC 进行调整以适应应用，大容量 DRAM 芯片在众多应用中都是相同的。

在许多人担心的延迟问题上，Pawlowski也表示，虽然HMC的串行链路会略微增加系统延迟，但整体的延迟反而是显著降低的，尤其是它的DRAM 周期时间 (tRC) 在设计上较低，较低的队列延迟和较高的存储体可用性还进一步缩短了系统延迟。

他同时也展示了第一代 HMC 原型的具体数据，美光同英特尔合作，通过将 1Gb 50nm DRAM 阵列与 90nm 原型逻辑芯片相结合构建了第一代 27mm x 27mm HMC 原型，其在每个立方体上使用 4 个 40 GBps（每秒十亿字节）链路，每个立方体的总吞吐量为 160 GBps，DRAM 立方体的总容量为 512MB，由此产生的性能比下一代 DDR4 显着提高了约 3 倍的能效（以 pj/bit 为单位）。

HMC解决了传统DRAM的带宽问题，一时之间成为了大家的新宠儿，但实质上是集不断发展的硅通孔（TSV）技术于大成，并不能全然归功于美光和英特尔。

什么是TSV呢？TSV全称为Through Silicon Via，是一种新型三维堆叠封装技术，主要是将多颗芯片(或者晶圆)垂直堆叠在一起，然后在内部打孔、导通并填充金属，实现多层芯片之间的电连接。相比于传统的引线连接多芯片封装方式，TSV能够大大减少半导体设计中的引线使用量，降低工艺复杂度，从而提升速度、降低功耗、缩小体积。

早在1999年，日本超尖端电子技术开发机构（ASET）就开始资助采用TSV技术开发的3D IC芯片项目“高密度电子系统集成技术研发”，也是最早研究3D集成电路的机构之一，之后的2004年，日本的尔必达也开始自己研发TSV，并于2006年开发出采用TSV技术的堆栈8颗128Mb的DRAM架构。

闪存行业先一步实现了3D堆叠的商业化，东芝在2007 年 4 月推出了具有 8 个堆叠裸片的 NAND 闪存芯片，而海力士则是在同年 9 月推出了具有 24 个堆叠裸片的 NAND 闪存芯片。

而内存行业相对稍晚一点，尔必达在2009年9月推出了第一款采用TSV的DRAM芯片，其使用8颗1GB DDR3 SDRAM堆叠封装而来，2011年3月，SK海力士推出了使用 TSV 技术的 16 GB DDR3 内存（40 nm级别），同年9 月，三星推出了基于 TSV 的 3D 堆叠 32 GB DDR3（30 nm级别）。

集合了最新TSV技术的HMC，不仅荣获了2011年The Linley Group（《微处理器报告》杂志出版商）所颁发的最佳新技术奖，还引发了一众科技公司的兴趣，包括三星、Open-Silicon、ARM、惠普、微软、Altera和赛灵思在内的多家公司与美光组成了混合内存立方联盟 (HMCC)，美光开始磨拳霍霍，准备开始一场更加彻底的内存技术革命。

JEDEC的反击

前面提到了美光技术专家Pawlowski对于旧内存标准的抨击，尤其是JEDEC机构，似乎成了一个十恶不赦的坏蛋，仿佛是因为它的存在，内存技术才迟迟得不到改进。

那么JEDEC又是何方神圣呢？

JEDEC固态技术协会（Solid State Technology Association）是固态及半导体工业界的一个标准化组织，最早历史可以追溯到1958年，由电子工业联盟（EIA）和美国电气制造商协会（NEMA）联合成立的联合电子设备工程委员会（Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC），其主要职责就是制定半导体的统一标准，而在1999年后，JEDEC独立成为行业协会，确立了现在的名字并延续至今。

作为一个行业协会，JEDEC 制定了 DRAM 组件的封装标准，并在 20 世纪 80 年代末制定了内存模块的封装标准。“ JC-42及其小组委员会制定的标准是我们能够如此轻松地升级 PC 内存的原因，”自 20 世纪 70 年代以来一直担任 JEDEC 志愿者的 Mark Bird 说道，“我们对各个组件配置、SIMM、它们所在的插槽以及每一个设备的功能进行了标准化。”

虽然说做DRAM的厂商，肯定离不开JEDEC所制定的标准，但JEDEC本质上并不具备强制性，其第一大原则就是开放性与自愿性标准，所有标准都是开放性、自愿性的，不会偏袒某一个国家与地区而歧视其他国家或地区，拥有近300家会员公司的它还奉行着一家公司一票与三分之二多数制的制度，从而降低了标准制定程序被任何一家或一批公司所把控的风险。

不管是美光也好，三星海力士也罢，它们并没有能力去干涉JEDEC标准的制定，即使DRAM厂商早已屈指可数，但标准的话语权并不由三巨头所掌握，只有大家真正认可，才会最终被推行为正式标准。

这时候问题来了，行业还在JEDEC所制定的标准下前行，美光却要单独跳出来自己干，还组建了属于自己的联盟，这听起来有点像苹果才会做的事，如同火线接口、早期雷电接口和Lighting接口等，东西是好东西，但是独此一家别无分号。

要是美光这HMC技术足够先进也就罢了，领先JEDEC四五年，也能像苹果一样赚笔小钱，也能和韩国厂商分庭抗礼了，只可惜这技术只领先了一两年左右，甚至可能还没有这么久。

在美光公布HMC的2011年，JEDEC就公布了关于Wide IO 的 JESD229 标准，作为一项3D IC 存储器接口标准，其正是为了解决DRAM带宽而来，基本概念是使用大量引脚，每个引脚的速度相对较慢，但功率较低。

2012年1月，该标准正式通过，其中规定了 4 个 128 位通道，通过单数据速率技术连接到以 200MHz 频率运行的 DRAM，总带宽为 100Gb/S，虽然还是不能与HMC的带宽相媲美，但也从侧面证明了JEDEC的标准并非一直原地踏步和一无是处。

当然，如果只有Wide IO也就算了，毕竟HMC的理念足够先进，虽然价格也很昂贵，但是总会有一部分高带宽需求的产品来买单，前景还是挺光明的。

但到了2013年，又杀出了一个程咬金——AMD和海力士宣布了它们共同研发的HBM，其使用了 128 位宽通道，最多可堆叠 8 个通道，形成 1024 位接口，总带宽在 128GB/s 至 256GB/s 之间，DRAM 芯片堆叠数为 4 至 8 个，且每个内存控制器都是独立计时和控制的。

就成本和带宽而言，HBM 是一个看似中庸的选择，既不如Wide I/O 便宜，带宽也比不上HMC，但中庸的HBM却通过GPU确定了自己的地位，AMD和英伟达先后都选择了HBM来作为自家显卡的内存。

而给了美光HMC致命一击的是，HBM刚推出没多久，就被定为了JESD235的行业标准，一个是行业内主要科技公司都在内的大组织，一个是美光自己拉起来的小圈子，比赛还没正式开始，似乎就已经分出了胜负。

HMC的末路

2013年4月，HMC 1.0规范正式推出，根据该规范，HMC 使用 16 通道或 8 通道（半尺寸）全双工差分串行链路，每个通道有 10、12.5 或 15 Gbit/s串行解串器，每个 HMC 封装被命名为一个cube，它们可以通过cube与cube之间的链接以及一些cube将其链接用作直通链接，组成一个最多 8 个cube的网络。

当然，在HMC 1.0发布时，美光依旧是信心满满，美光 DRAM 营销副总裁 Robert Feurle 表示：“这一里程碑标志着内存墙的拆除。” “该行业协议将有助于推动 HMC 技术的最快采用，我们相信这将彻底改进计算系统，并最终改进消费者应用程序。”

而在2014年1月举行的“DesignCon 2014”上，美光首席技术专家Pawlowski表示JEDEC并没有在 DDR4 之后做出任何新的努力，“HMC需要的只是一个SerDes（串行器/解串器）接口，其具有简单指令集，不需要所有细节，未来的趋势是HMC取代DDR成为DRAM的新标准。”他说到。

事实真的和美光说的一样吗？

当然不是，HMC看似强大的带宽，是建立在昂贵成本之上的，从2013年第一版规范开始算起，真正采用了HMC技术的产品，也只有天文学项目The Square Kilometer Array (SKA) 、富士通的超级计算机 PRIMEHPC FX 100、Juniper的高性能网络路由器和数据中心交换机以及英特尔的 Xeon Phi 协处理器。

看到英特尔也别太兴奋，据美光公司称，虽然Xeon Phi 协处理器的内存解决方案采用与 HMC 相同的技术，但它专门针对集成到英特尔的 Knight's Landing 平台中进行了优化，没有标准化计划，也无法提供给其他客户，什么意思呢？就是英特尔没完全遵循HMC，自己另外搞了一套标准。

而且，别说普通消费者了，连英伟达和AMD的专业加速卡都与HMC无缘，HBM已经足够昂贵了，HMC比起它还要再贵一些，美光虽然没有公布过具体的费用，但我们相信，这个价格一定会是大部分厂商所不能承受之重，内存带宽重要是不假，但过于昂贵的成本，只会劝退客户。

值得一提的是，三星和海力士虽然也一度加入过HMCC联盟中，但它们并不是主要推动者，甚至没有大规模量产过HMC产品，2016年之后，两家都专注于HBM了，除了几个铁哥们愿意支持一下美光，HMCC的成员更多的是重在参与。

时间来到2018年，HMC早就没有了2011年时的风光，用门可罗雀来形容也不过分，人工智能在这一年开始兴起，高带宽成为了内存行业的重心，但背后的市场几乎都被HBM招徕走了，主推该标准的海力士与三星成了大赢家。

Objective Analysis 首席分析师吉姆·汉迪 (Jim Handy) 在2018年1月接受媒体采访时对美光发出了警告：“英特尔未来也会从HMC变体转向HBM，考虑到二者间没有太大区别，如果美光必须转型，损失也不会太大。”

好在美光没有执迷不悟，在2018年8月宣布正式放弃HMC，转而追求具有竞争性的高性能存储技术，也就是HBM，但大家都准备搞HBM2E了，美光此时再入场，不论是吃肉还是喝汤都轮不到它，只能慢慢追赶。

2020年3月，美光的HBM2也就是第二代HBM才姗姗来迟，其最新量产的HBM也止步于HBM2E，明显落后于两家韩厂，而市场也忠实反馈了这一差距，根据 TrendForce 的最新数据，SK 海力士占据全球 HBM 市场 50% 的份额，位居第一；三星紧随其后，占据 40% 的份额；而美光位居第三，仅占据 10% 的份额。

不过有意思的是，美光似乎对HMC并未完全死心。

2020年3月，美光公司高级计算解决方案副总裁 Steve Pawlowski 表示，美光是HMC技术最早和最有力的支持者之一，如今的重点是该架构如何能够满足特定用例（包括人工智能 (AI)）的高带宽内存需求，事实上在 HMC 最初构想时，人工智能 (AI) 并不存在，“我们怎样才能在低功耗、高带宽方面获得最大的性价比，同时能够为我们的客户提供更具成本效益的封装解决方案？”他说到。

Pawlowski 还表示，美光继续通过“探路计划”探索 HMC 的潜力，而不是遵循最初的规格更新计划，从性能角度来看，HMC 是一个出色的解决方案，但客户也在寻求更大的容量，新兴的人工智能工作负载更注重带宽，因此这正是 HMC 架构的潜力所在。

“HMC 似乎仍有生命力，它的架构可能适用于最初构想时并不存在的应用，”Pawlowski 说，“HMC 是领先于时代的技术的一个极好例子，它需要建立一个生态系统才能被广泛采用，我的直觉是，HMC 风格的架构就属于这一阵营。"

遥遥落后的美光

如今是2024年年初，HBM已经火爆了一整年，SK海力士、三星和美光无不以下一代HBM3E乃至HBM4为目标，努力保证自家的技术领先，尤其是美光，为了改善自己在HBM市场中的被动地位，它选择了直接跳过第四代HBM即HBM3，直接升级到了第五代。

2023年9月，美光宣布推出HBM3 Gen2（即HBM3E），后续表示计划于 2024 年初开始大批量发货 HBM3 Gen2 内存，同时透露英伟达是主要客户之一，美光总裁兼首席执行官 Sanjay Mehrotra 也在公司财报电话会议里表示：“我们的 HBM3 Gen2 产品系列的推出引起了客户的浓厚兴趣和热情。”

但对于美光来说，技术迎头赶上只是第一步，更重要的是能不能在标准上掌握话语权，2022年1月，JEDEC发布了最新的HBM3标准，其主要贡献者就是美光老对手，也是HBM的创造者之一——SK海力士，而现在被普遍认可的HBM3E这一名称，同样来源于SK海力士。

成为标准贡献者有啥好处呢？那就是SK海力士所推出的HBM3E可以大方宣称自己的向后兼容性，即使在没有设计或结构修改的情况下，也能将这一产品应用于已经为HBM3准备的设备上，不管是英伟达还是AMD，都可以轻松升级原有的产品，满足更多客户的需要。

而据Business Korea报道，英伟达已经与SK海力士签订HBM3E优先供应协议，用于新一代B100计算卡，虽然美光和三星都向英伟达提供了HBM3E的样品，完成验证测试后就会正式签约，但有业内人士预计，SK海力士仍然会率先取得HBM3E供应合同，并从中获得最大的供应份额。

此前我们谈到过，存储巨头们一直梦想着一件事情，就是摆脱传统的半导体周期，过上更为安稳的日子，HMC曾是美光的一个梦想，用新标准取代旧标准，用封闭生态代替开放生态，希望凭借它来成为DRAM技术领导者，但它却陷入到一个怪圈当中：HMC价格更昂贵——客户缺乏意向——成本增加导致价格上涨——流失更多潜在客户。

目前来看，HBM是一个更好的切入口，它在新型DRAM的市场和利润间取得了一个微妙平衡，而SK海力士就是三巨头里走得最远的一家，考虑到未来AI芯片的性能很大程度上受到HBM的放置和封装方式的影响，SK海力士很有可能成为第一个跳出周期的厂商。

美光首席技术专家Pawlowski在2011年的Hot Chip上大力批判了落后的内存标准，但他绝对不会想到的是，看似先进的HMC最终会被纳入JEDEC标准的HBM所击败，美光空耗了六七年时间，最终甜美果实却被韩厂摘走，让人感慨不已。

参考资料：

Beyond DDR4: The differences between Wide I/O, HBM, and Hybrid Memory Cube——extremetech

HBM Flourishes, But HMC Lives——eetimes

'기술' 타이밍 놓치면 순식간 '몰락'… 설 자리 잃은 '마이크론'——newdaily

为了打造「最轻薄」，新 iPad Pro 内部设计用了更多胶水

上周，不少 YouTube 博主都对新 iPad Pro 的坚固程度进行了测试，而本周 iFixit 从内部对这款设备进行了拆解和探索，看看这个「苹果史上最薄设备」内部有什么特别之处，以及可修复性如何。

先说结论：新款 iPad Pro 在一些部分的可修复性大幅增加，但也为这个超薄的机身作出了一些妥协。

OLED 屏幕不是真的「双层」

新款 iPad Pro 最大的改变之一就是显示屏，两个尺寸的型号都同步上了 OLED 屏幕。

图源：iFixit

苹果也着重介绍了这个 OLED 屏幕的亮点：使用了「双层串联 OLED」技术，获得了更高的 1000 尼特峰值亮度，对比度也实现了加倍。

不过 iFixit 解释，「双层 OLED」这个说法可能是苹果为了更便于消费者理解的说法，但本质上可能有点误导，因为实际上元器件上还是只有单个 OLED 面板，而不是两个 OLED 面板进行了堆叠。

实际上，iPad Pro 的屏幕是改变传统的单个二极管的 OLED 叠层，增加每个二极管垂直叠层中发光层的数量，从而增加了每个二极管可传输的光量和色彩，效果类似两个 OLED 堆叠在一起，但本质上只有一个 OLED 面板。

电池比上代好拆太多了

新款 iPad Pro 内部结构最大的改变在电池的可拆卸性上，比起上一代，新 iPad Pro 的电池拆卸要容易很多。

iFixit 表示，在拆下屏幕后，只需要再拆卸一些螺丝和支架，就可以很快地卸下电池，iFixit 形容这个过程为「在取下屏幕后『立即』能取下电池」。

而在上一代，如果想要拆下电池，需要先拆除前置摄像头、断开麦克风、扬声器、天线等大量元件后，才能将电池拆下，iFixit 表示整个过程需要 2-3 个小时，而他们给出的教程步骤多达 92 步。

拆解 2022 款 iPad Pro 的电池非常麻烦

iFixit 对苹果重新设计了电池结构表达了赞同，认为苹果听取了大众的意见，即使推出了一款极致轻薄的设备，仍然重新设计了内部，大幅减少了更换电池的难度。

拆出来的电池显示电池电量为 38.99 Wh，比上一代的 40.33 Wh 略小，结构上也从上一代的四节电池变为两节，并且这两块电池都非常薄。

轻薄不是没有代价的

虽然新的电池结构对维修非常友好，但是为了推出一款超级轻薄的设备，苹果在很多设计上都选择了妥协，这些妥协导致了这款新 iPad Pro 的修复难度依然很高。

从子板、扬声器到同轴电缆，iFixit 发现很多元件都直接用胶水进行了固定，因为内部没有足够的空间去安装螺丝。

iFixit 表示，如果试图拆除扬声器，很可能会直接造成损坏，而如果用错误的方式去动了子板、热敏摄像头，很可能会造成变形和不可逆的破坏。

在对主板进行拆解后，iFixit 发现他们手上这台 256GB 的基础款 iPad Pro，在存储上配备的是单个 NAND 闪存存储芯片。

在 2022 年搭载 M2 芯片的 MacBook Air 产品中，256GB 版本就是搭载了单个 NAND 闪存存储芯片，从而导致 256GB 版本的读写速度比更高配置的版本要更慢。

和 M2 MacBook Air 一样，虽然新的 256GB iPad Pro 在读写速度上不如高配版，但这不代表这两款设备读写速度就是慢到不可忍受的，它们仍然能够提供市场上平均的速度水平。只是对读写速度有很高要求的用户，高配版可能更能满足需求。

Apple Pencil Pro 是一款「一次性」产品

Apple Pencil Pro 一体成型的设计可能很赏心悦目，但苹果为了做到这点，几乎放弃了实现维修的可能性。

首先，iFixit 用切割机切去了 Apple Pencil Pro 的白色塑料外壳，测试人员表示，这款新的 Pencil 比以往的产品更容易「去皮」。

不过 Pencil Pro 的内在依然非常难以修复。iFixit 想要尝试在避免破坏它的前提下，完整拆除 Apple Pencil Pro 的电池，结果测试人员只能非常粗暴地将其「抽筋剥皮」，最终的结果是不可逆的，还弄得满手是血。

这也表示，Apple Pencil Pro 几乎不可能进行维修，并且想要单独更换它的电池也是不可能的事情。因此一旦 Apple Pencil Pro 的电池老化故障，或者内部出现了什么问题，等待它的命运可能只有被抛弃。

图源：iFixit

iFixit 认为 iPad Pro 虽然在电池设计上作出改变，设计成了更容易更换的结构，但为了轻薄又做出了太多妥协，因此 iPad Pro 隐藏着可修复的优势，总体上来说还是「难以修复」。

对于苹果把 iPad Pro 做得「极致轻薄」而妥协，iFixit 并不赞同这个做法，认为既没有消费者要求苹果把 iPad Pro 做得如此轻薄，并且如果苹果没有大张旗鼓地去宣传这个卖点，也鲜少会有人去注意到这 5.1 毫米的厚度。

苹果对新款 iPad Pro 的厚度确实非常自豪，也进行了大量的宣传。但这极致的轻薄能为用户带来什么，目前苹果自己也没能解答。

而如果为了做得轻薄牺牲了可修复性，那未免又有点得不偿失了。

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为了打造「最轻薄」，新 iPad Pro 内部设计用了更多胶水

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