集邦咨詢：AI發(fā)展驅(qū)動(dòng)高效能運(yùn)算需求提升，仰賴HBM與CXL優(yōu)化硬件效能

智通財(cái)經(jīng)APP獲悉，TrendForce集邦咨詢最新發(fā)表的服務(wù)器報(bào)告指出，近幾年受到新興應(yīng)用的激勵(lì)，加速了人工智能及高效能運(yùn)算的發(fā)展，且伴隨著仰賴機(jī)器學(xué)習(xí)及推論的需求提升，建構(gòu)出的模型復(fù)雜度也隨著需求的精細(xì)程度有所增加，因此在計(jì)算時(shí)須處理的數(shù)據(jù)量亦隨之增大。在此情境下，龐大的數(shù)據(jù)處理量受硬件效能局限，導(dǎo)致使用者在設(shè)備的建置面臨了效能、容量、延遲度以及成本間的取舍問(wèn)題，從而刺激HBM(High Bandwidth Memory)及CXL(Compute Express Link)的出現(xiàn)。功能上來(lái)說(shuō)，HBM為新形態(tài)存儲(chǔ)器，主要協(xié)助更多元、高復(fù)雜運(yùn)算而需要的I/O作輔助，而CXL則為使存儲(chǔ)器資源共享的協(xié)定，提供xPU更為便捷的應(yīng)用。

現(xiàn)行DRAM架構(gòu)垂直堆棧，HBM突破現(xiàn)有解決方案的頻寬限制

為了不受限于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的頻寬束縛，存儲(chǔ)器原廠開(kāi)發(fā)了HBM，其結(jié)構(gòu)為基本邏輯顆粒上連接數(shù)層的DRAM裸晶，而DRAM裸晶之間以硅通孔及微凸塊3D堆棧達(dá)到高頻寬設(shè)計(jì)，層數(shù)又以4層及8層為主流。而以現(xiàn)行世代來(lái)看，HBM2e為目前最新的量產(chǎn)世代，單層16GB的裸晶堆棧4層或8層，使得單顆容量分別為8GB及16GB，頻寬可達(dá)410-460GB/s，而下一代HBM3已進(jìn)入機(jī)構(gòu)件送樣階段，可望于2022年量產(chǎn)。

根據(jù)TrendForce集邦咨詢觀察，2021年HBM位元需求占整體DRAM市場(chǎng)仍未達(dá)1%，主要包含兩大原因：首先是消費(fèi)級(jí)應(yīng)用因成本考量下幾乎未采用HBM，其次是服務(wù)器市場(chǎng)中作為AI功能的建置低于1%，即服務(wù)器搭載相關(guān)AI運(yùn)算卡的比重仍小于1%，且多數(shù)存儲(chǔ)器仍使用GDDR5(x)、GDDR6來(lái)支持其算力。

展望未來(lái)，雖然HBM仍在發(fā)展期，但隨著應(yīng)用對(duì)AI的依賴度增加(包含模型復(fù)雜化來(lái)優(yōu)化AI精準(zhǔn)度)，需要HBM的加入來(lái)支援硬件。其中，以與AI最相關(guān)的FPGA和ASIC來(lái)看，F(xiàn)PGA產(chǎn)品有英特爾(Intel)的Stratix、Agilex-M以及賽靈思(Xilinx)的Versal HBM導(dǎo)入HBM;而ASIC方面，多數(shù)數(shù)據(jù)中心在AI的建置中，逐漸以自研的ASIC芯片作為發(fā)展方向，例如谷歌(Google)(GOOGL.US)的TPU、騰訊(Tencent)(00700)的邃思、百度(Baidu)(09888)的昆侖皆使用HBM。再者，英特爾(Intel)(INTC.US)的server CPU Sapphire Rapids亦規(guī)劃于2022年底釋出帶HBM的高端版本。TrendForce集邦咨詢認(rèn)為，HBM有助于突破AI發(fā)展中受限的硬件頻寬瓶頸，未來(lái)市場(chǎng)上將出現(xiàn)更多相關(guān)應(yīng)用。

高速運(yùn)算催生的新協(xié)定，CXL將更有效整合系統(tǒng)中的運(yùn)算資源

CXL則是基于PCIe Gen5規(guī)格演變的協(xié)定，讓CPU及其他加速器(例如GPU、FPGA等之間)建立高速、低延遲的互聯(lián)性，使其各自的存儲(chǔ)器模擬成一個(gè)共享的空間，允許存儲(chǔ)器資源共享，從而降低系統(tǒng)成本并獲得更高的性能，因此有利于解決AI及HPC的工作負(fù)載。

而市場(chǎng)上類似概念的存儲(chǔ)器資源共享協(xié)定并非只有CXL提出，英偉達(dá)(NVIDIA)的NVLink、超威半導(dǎo)體(AMD)及賽靈思(Xilinx)的Gen-Z，皆凸顯大廠對(duì)系統(tǒng)資源整合的重視。然而，TrendForce集邦咨詢認(rèn)為，CXL能由眾多協(xié)定中脫穎而出的主要原因，來(lái)自于其協(xié)定為英特爾提出，而該公司在CPU市場(chǎng)占有高采用率的優(yōu)勢(shì)，英特爾CPU支援的號(hào)召能使得CXL及其相關(guān)硬設(shè)備商得以自上而下的統(tǒng)合，因此相繼獲得超威半導(dǎo)體、ARM、英偉達(dá)(NVDA.US)、谷歌、微軟(MSFT.US)、Facebook(FB.US)、阿里巴巴(09988)、戴爾(DELL.US)等公司的加入，成為目前呼聲最高的存儲(chǔ)器協(xié)定。

在允許CPU及其他硬件進(jìn)行存儲(chǔ)器資源整合下，利于降低各硬件間的通信延遲，也能提高AI及HPC發(fā)展需要的計(jì)算性能。為此，英特爾將在下一代服務(wù)器CPU Sapphire Rapids中支援CXL，而存儲(chǔ)器原廠亦規(guī)劃支援CXL的產(chǎn)品方案，其中，三星(Samsung)宣布將推出支援CXL的DDR5模塊，用以擴(kuò)張服務(wù)器存儲(chǔ)器容量，滿足AI運(yùn)算需要的龐大存儲(chǔ)器需求。未來(lái)CXL亦有機(jī)會(huì)推及至NAND Flash的方案支援，使得DRAM及NAND Flash雙雙受惠。

HBM及CXL交互合作有利于AI發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用于2023年將更有能見(jiàn)度

TrendForce集邦咨詢認(rèn)為，CXL導(dǎo)入將隨著未來(lái)CPU內(nèi)建CXL功能而普及化，而未來(lái)AI服務(wù)器的硬件建置，將能見(jiàn)到更多同時(shí)采用HBM及CXL的設(shè)計(jì)。其中HBM能分別增加CPU及加速器各自的頻寬，加速數(shù)據(jù)處理速度;CXL則建立彼此間溝通的高速互聯(lián)性，兩者交互有助于擴(kuò)展AI算力從而加速AI發(fā)展。

在存儲(chǔ)器資源共享下，模型的設(shè)計(jì)能擺脫硬件瓶頸，持續(xù)往更復(fù)雜的架構(gòu)建設(shè)。TrendForce集邦咨詢預(yù)估，隨著支援CXL的英特爾CPU Sapphire Rapids導(dǎo)入達(dá)一定覆蓋率，以及存儲(chǔ)器原廠陸續(xù)量產(chǎn)更高頻寬的HBM3及具備CXL功能的DRAM與SSD，2023年可望于市場(chǎng)上見(jiàn)到更多HBM及CXL合作使用的應(yīng)用。