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发力3D堆叠内存,SK海力士出手,iPhone端侧AI要支棱起来了?

SK海力士计划研发3D堆叠内存,将内存裸片直接堆叠在处理器上,以大幅提升带宽和速度,解决端侧AI性能瓶颈。该技术有望与苹果合作,但面临散热、成本等挑战,短期内难以普及至中低端手机。

什么?手机内存要骑到处理器头上了?

最近,海力士在美国放出两个新岗位,目标是研究“3D堆叠内存”设计,从封装层面解决端侧AI的性能瓶颈。官方说得直白:必须能跟美国客户紧密合作的人才。结合招聘地点和过往合作记录,这位客户大概率是苹果。

看到这条消息,估计不少人会懵:内存设计和端侧AI有啥关系?

这么说吧,这两年手机算力看着涨得快,发布会上的数字一个比一个吓人,可真到本地跑大模型应用时,经常干着干着就发热、降速,最后厂商只能把任务丢回云端。实际在端侧跑的AI功能,连十分之一都不到。

但这事不能一直这么拖着。总不能大伙吹了三四年NPU,到最后手机淘汰了,那功能还没用过几次。厂商们开始查问题在哪,苹果这边得出的结论是:大模型开始连续生成后,速度往往卡在内存读取上。芯片算得再快,数据送不过来,也只能干等。这就是厂商们开始研究3D堆叠内存的原因。

叠得越多,速度越快?

聊3D堆叠内存之前,得先搞清楚现在手机是怎么做的。

目前主流旗舰手机,基本都用LPDDR5X规格的内存,常见做法是PoP叠层封装:下面是手机处理器封装,上面再放一颗内存封装。

就像上图这样,传统PoP叠层封装,两者看似叠在一起,但中间仍隔着基板、焊点和高速接口,本质上还是两个独立封装。内存只能通过数量有限的线路向处理器送数据,想增加带宽,主要靠提高每条通道的速度。

海力士这次要做的3D堆叠DRAM,思路非常直接:把内存外面的部分封装拆掉,让内存裸片直接压在处理器上,再在两块芯片之间做出大量垂直数据通道。

至于具体怎么做,海力士还没公开。

不过参考英伟达的HBM和AMD的3D V-Cache,大致逃不过这几步:把芯片磨薄,在内部做出上下贯通的通道,再通过铜对铜连接直接把两层芯片接在一起。

按照AMD官方的说法,这种连接方式的密度可以达到传统平面封装的200倍以上。这意味着有效增加I/O数量,让处理器同时读写更多数据,同时降低等待时间、传输功耗和占用空间。

即便单条通道的带宽是固定的,只要通过3D堆叠把通道数量从几十、几百根扩到上千甚至更多,内存读写速度自然有望迎来数十倍,甚至成百倍的提升。

这里依然以普通LPDDR内存为例。正如上文所述,它们的升级主要靠提高每条通道的速度。比如美光把LPDDR5X速率从7.5Gbps提高到10.7Gbps后,总的读写带宽已经来到85.6GB/s,较目前iPhone 17 Pro的76.8GB/s确实有提升。

作为对比,已量产的HBM4的带宽达到了2.8-3.3TB/s

更接近海力士这次“把内存直接放处理器上”的,是d-Matrix验证中的3DIMC。它利用整片芯片表面建立垂直通道,厂商宣称单堆叠可达到20TB/s,传输能耗约0.3—0.4pJ/bit。

当然,20TB/s是数据中心芯片的数据,手机肯定照搬不了。况且海力士现在连人都还没招齐,具体能做到什么程度,谁也说不清楚。

但从各家透露的数据来看,确实值得期待。

没有想象中那么好

有趣的是,当手机还在想着怎么叠的时候,电脑这边早就开始尝试了。

前两年,英特尔在酷睿Ultra 200V系列上做过一次相当激进的尝试:直接把LPDDR5X内存塞进处理器封装里。虽然还没到把内存叠在处理器核心上的地步,但通道距离已经比传统笔记本短了不知道多少。

这套方案的好处很好理解:内存速度更快、延迟更短,数据来回跑的距离短了,耗电自然也能压下来,最高能降低40%的整体功耗。主板上不用再给内存单独留位置,电脑内部可以做得更紧凑,空出来的地方还能塞电池和散热。

重点是,那批轻薄本的续航和核显表现都很不错。这种设计和轻薄本确实相当合拍——毕竟它们本来就不指望用户自己换内存,能省空间、降功耗,怎么看都挺香。

问题是厂商这边不满意了。

要知道,Ultra 200V系列基本只有16GB和32GB两种选择,电脑一出厂,内存容量就彻底定死。厂商想做24GB版本难,想冲64GB也不方便,不管其中哪一边出问题,维修成本都低不了。

当然,这套封装本身也不便宜。原本大部分人对轻薄本的价格预期就在4000-5000元左右,Ultra 200V系列直接把这个起步线拉到8500左右。虽说基本上都是中高端产品,但也不是普通消费者能消费得起的。

到了酷睿300系列,英特尔干脆又把内存放回了处理器外面,厂商可以自由选择容量。下至12GB单通道,上至64GB大满贯,应有尽有,供应链和维修都轻松不少。

这里有一台小新Pro 16 GT,配的是酷睿Ultra5 338H和32GB LPDDR5X内存。照理说,没有了一体化封装,内存性能必然会下降,本地AI性能多少会受到些影响。但实际体验下来,反而觉得Ultra 300系列的实际体验比200V时代更好。

原因也不难猜:Ultra300系列的核显进步太明显了。

酷睿Ultra5 338H内置的Arc B370规模更大,性能也更出色。现在不少本地大模型、图片生成和语音工具,本来就会调用核显干活。哪怕内存速度上的优势少了一些,核显性能却直接补了回来,跑模型、处理图片和做本地AI任务,体验反而更好。

从各种意义上来说,英特尔的经历都可以成为手机厂商的前车之鉴。

再看AMD这边,他们发布的X3D处理器会把额外的L3高速缓存垂直叠在CPU核心上方,一块就能多出64MB缓存。这样游戏常用的数据可以留在处理器附近,显著降低反复读取内存的次数。

不得不说,这招确实厉害。应付吃缓存、吃延迟的网游,帧数和稳定性提升都很明显,这些年AMD靠着X3D硬是把不少游戏玩家吃得死死的。

可芯片往上叠,积热就成了大问题。

近些年,国内外有不少玩家遭遇了X3D处理器异常高温的情况,其中部分故障直接导致了整机硬件的损坏,覆盖范围从锐龙5000X3D到最新的锐龙9000X3D。而AMD这边,除了和主板商把SoC电压限制在1.3V以内,基本没有给出解决方案。

要知道,电脑可是有主动散热的,放在没有主动散热的手机上只会更糟。

堆叠才是芯片的未来?

客观来看,把芯片叠起来,大概率会成为以后的常态。

毕竟在摩尔定律逼近瓶颈的当下,芯片越来越难单纯依靠缩小尺寸获得提升。把不同部分拆开制造,再根据需求重新组合,已经是Intel和AMD验证过的路线,而海力士不过是沿着这个思路继续推进而已。

其实华&为今年提出的韬定律也是一种类似的思路:通过优化晶体管等设计,突破传统平面布局的物理边界,提高系统级并行度和效率,降低端到端响应延迟。

当然,这种技术短期内肯定轮不到中低端手机。

成本高、封装麻烦、散热还不好解决。旗舰机为了端侧Agent和本地大模型,或许愿意拿它当新卖点。到了两三千元的手机上,厂商恐怕还是更愿意把钱花在电池、屏幕和影像上。

至于这玩意能不能解决端侧AI的问题,还是可以谨慎期待一下的。

毕竟海力士这次招人,说明有的厂商已经开始从硬件底层下手了。与此同时,诸如智谱、阶跃星辰、面壁智能也都有在做端侧大模型优化,几家头部厂商的Agent应用——Xiaomi miclaw和小布Next都已经在测试中。端侧Agent距离“能用”其实已经不远了。

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