HBM چیست؟

شاید تابه‌حال نام حافظه‌های سریعی مثل HBM را شنیده‌ باشید. این فناوری با چیدمان عمودی تراشه‌ها (مثل طبقات یک ساختمان) سرعت را افزایش و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. استفاده از این نوع حافظه به علت ارتباط بهتر با پردازنده باعث می‌شود در کارت‌های گرافیک حرفه‌ای، مراکز داده و هوش مصنوعی، عملکرد سیستم‌ها بهبود چشم‌گیری پیدا کند. در ادامه، ساختار و مزایای کلیدی HBM را بررسی می‌کنیم تا ببینید چطور این حافظه کوچک، تحولی بزرگ در فناوری ایجاد کرده است!

حافظه HBM در یک نگاه

حافظه HBM (مخفف High Bandwidth Memory) به‌عنوان یک راهکار پیشرفته در ذخیره‌سازی داده‌ها شناخته می‌شود که با چیدمان عمودی تراشه‌ها و کاهش فاصله بین حافظه و پردازنده، انقلابی در سرعت و بهره‌وری انرژی ایجاد کرده است. این فناوری با استفاده از لایه‌های متعدد حافظه و کانال‌های موازی انتقال داده، پهنای باندی تا چندین ترابایت بر ثانیه ارائه می‌دهد که آن را به گزینه‌ای ایدئال برای کاربردهای سنگینی مانند پردازش‌های هوش مصنوعی، مراکز داده و کارت‌های گرافیک پیشرفته تبدیل می‌کند. در ادامه با جزئیات این فناوری بیشتر آشنا می‌شوید.

HBM چیست؟ حافظه‌ای با پهنای باند فوق‌العاده

HBM که مخفف «حافظه با پهنای باند بالا» است، یک فناوری نوین حافظه است. در این روش، تراشه‌های حافظه مانند لایه‌های یک کیک، به‌صورت عمودی روی هم قرار می‌گیرند و نزدیک به پردازند نصب می‌شوند. این چیدمان، مسیرهای بیشتری برای انتقال داده ایجاد می‌کند و سرعت را بدون نیاز به افزایش سرعت کلاک بالا می‌برد. این در حالی است که بعضی از انواع حافظه مانند GDDR تنها با افزایش کلاک می‌توانند سرعت خود را افزایش دهند.

این فناوری که اولین‌ بار توسط شرکت‌هایی مثل سامسونگ، ای‌ام‌دی و اِس‌کی هاینیکس توسعه یافت، با کوتاه‌‌کردن مسیر حرکت داده‌ها، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. نتیجه؟ کارایی بالاتر در سیستم‌های گرافیکی پیشرفته و هوش مصنوعی است که به‌سرعت و بهره‌وری بالایی نیاز دارند!

داستان حافظه HBM چگونه آغاز شد؟

داستان HBM با یک رویای جسورانه آغاز شد. سال ۲۰۰۹ بود و صنعت فناوری در حال پوست‌اندازی. شرکت AMD که همیشه به نوآوری مشهور بود به کمپانی اس‌کی هاینیکس پیشنهاد طراحی حافظه‌ای را داد که نسخه‌های موجود را هوشمندتر و سریع‌تر کند. هدفشان روشن بود: ساخت حافظه‌ای که داده‌ها را با سرعتی بی‌سابقه و مصرف انرژی کمتری جابه‌جا کند. کلید این ایده اما استفاده از فناوری تراشه‌های عمودی بود؛ مثل این‌که به‌جای گسترش شهر روی زمین، آسمان‌خراش‌هایی بسازیم تا ترافیک داده‌ها کاهش یابد!

البته راه پرپیچ‌وخمی پیش‌رو بود. تا سال ۲۰۱۰، این دو شرکت طرح اولیه HBM را به انجمن JEDEC (مسئول استانداردهای حافظه در جهان) ارائه کردند. طبیعی است که طرح اولیه کمی شک‌برانگیز به نظر می‌رسید. اما پس از سه سال بررسی و آزمایش، در اکتبر ۲۰۱۳، استاندارد JESD235 برای HBM تصویب شد. این تاریخ، نقطه تولد رسمی یک فناوری انقلابی بود.

هم‌زمان، اس‌کی هاینیکس در آزمایشگاه‌هایش مشغول ساخت اولین نمونه واقعی HBM بود. سال ۲۰۱۳، آن‌ها موفق شدند تراشه‌های DRAM را مانند پازلی عمودی روی هم سوار کنند. در نتیجه این طراحی، مسیر انتقال داده‌ها از چند سانتی‌متر به چند میلی‌متر کاهش یافت و سرعت انتقال به‌شکل شگفت‌انگیزی افزایش پیدا کرد. این دستاورد ثابت کرد که ایده HBM نه یک نظریه، بلکه یک واقعیت عملی است!

بااین‌وجود، داستان بدون همکاری AMD ناتمام می‌ماند. سال ۲۰۱۴، این دو غول فناوری دوباره دست به دست هم دادند تا اولین محصول مبتنی بر HBM را توسعه دهند. پس هرکدام بخشی از فناوری را پیش بردند: اس‌کی هاینیکس روی معماری حافظه تمرکز کرد و AMD روی نحوه اتصال آن به پردازنده‌ها. حاصل این همکاری تولد HBM1 بود؛ نسل اول این حافظه که به نوبه خود انقلابی در صنعت بود.

سال ۲۰۱۵ سالی تاریخی برای HBM بود. اس‌کی هاینیکس خط تولید انبوه HBM1 را راه‌اندازی و AMD با معرفی کارت گرافیک Radeon R9 Fury X دنیا را شوکه کرد. این کارت گرافیک که بر پایه تراشه‌های «Fiji» ساخته شده بود، اولین محصول مصرفی با حافظه HBM محسوب می‌شد. این محصول نه‌تنها ثابت کرد HBM یک فناوری آزمایشگاهی نیست، بلکه جرقه‌ای بود برای تحول در هوش مصنوعی، مراکز داده و ابررایانه‌ها.

از آن سال به‌بعد، HBM مسیر خود را به‌عنوان یک استاندارد طلایی در حافظه‌های پرسرعت ادامه داد. هر نسل جدید آن سرعت و بهره‌وری را بالاتر برد و حالا دیگر نام HBM با فناوری‌های پیشرفته گره خورده است.

حافظه HBM چطور کار می‌کند؟

بیایید عملکرد HBM را با یک مثال ساده شروع کنیم. تصور کنید می‌خواهید آب را از یک استخر به خانه منتقل کنید. اگر فقط از یک شلنگ باریک استفاده کنید، هم زمان زیادی می‌برد و هم انرژی بیشتری هدر می‌رود. اما اگر چند شلنگ پهن کنار هم بگذارید، آب با سرعت بالاتر و تلاش کمتری جابه‌جا می‌شود. HBM هم دقیقاً همین کار را برای انتقال داده‌ها انجام می‌دهد!

حافظه HBM از چندین تراشه (DRAM) تشکیل شده که مانند لایه‌های یک کیک روی هم چیده می‌شوند. هر لایه به ضخامت یک تار مو است! این چیدمان عمودی باعث می‌شود فاصله بین حافظه و پردازنده بسیار کم شود. هرچه مسیر کوتاه‌تر باشد، داده‌ها سریع‌تر جابه‌جا می‌شوند و انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

برای اتصال این لایه‌ها به هم، از فناوری TSV (مخفف Through-Silicon Via) استفاده می‌شود. TSVها مانند آسانسورهای بسیار باریکی هستند که از وسط هر لایه سیلیکونی عبور می‌کنند و لایه‌ها را مستقیماً به هم وصل می‌کنند. در انتهای هر آسانسور، یک میکروبامپ (اتصال‌دهنده ریز) قرار دارد تا اتصال بین لایه‌ها محکم و بدون نویز باشد. این طراحی باعث می‌شود داده‌ها هم‌زمان از چندین مسیر موازی عبور کنند، بدون این‌که با هم تداخل داشته باشند.

حالا این لایه‌های حافظه باید به پردازنده متصل شوند. اینجا سیلیکون اینترپوز وارد بازی می‌شود. اینترپوز یک صفحه سیلیکونی مسطح است که مثل یک نقشه‌گردان هوشمند، هزاران مسیر ارتباطی بین حافظه و پردازنده ایجاد می‌کند.

هر لایه HBM به چندین کانال ۱۲۸ بیتی تقسیم می‌شود. هر کانال مثل یک خط تولید مستقل عمل می‌کند و در هر سیکل کلاک، دو بار داده جابه‌جا می‌کند. وقتی صدها کانال کنار هم کار می‌کنند، پهنای باند کلی HBM به چندین ترابایت در ثانیه می‌رسد! در حقیقت این حافظه ویژگی‌های اصلی خود را مدیون این ساختار پیچیده و خلاقانه است.

کاربردهای حافظه HBM در عصر هوش مصنوعی

حافظه HBM اولین‌ بار در کارت‌های گرافیک حرفه‌ای و مخصوص بازی‌ها استفاده شد تا تصاویر با کیفیت بالا و پردازش‌های پیچیدهٔ گرافیکی بدون کاهش سرعت اجرا شوند. این فناوری در محصولات شرکت‌هایی مانند انویدیا و AMD به‌کار می‌رود و باعث می‌شود بازی‌ها یا نرم‌افزارهای طراحی، با جزئیات خیره‌کننده و نرخ فریم بالا کار کنند.

در حوزهٔ هوش مصنوعی و مراکز داده، HBM نقش مهمی دارد. مثلاً آموزش مدل‌های بزرگ هوش مصنوعی (مثل ChatGPT) را سریع‌تر می‌کند، چون داده‌های سنگین را بدون وقفه بین حافظه و پردازنده جابه‌جا می‌کند. همچنین مصرف انرژی کم آن، هزینه‌های برق مراکز داده و ابررایانه‌ها را کاهش می‌دهد.

این فناوری در سرورهای ابری و سیستم‌های تحلیل داده‌های زنده (مثل پیش‌بینی آب‌وهوا یا ترافیک) هم استفاده می‌شود. HBM باعث می‌شود پردازش هم‌زمان حجم بالای اطلاعات سریع‌تر انجام شود و دیگر مشکلی مثل کندی یا قطعی داده‌ها پیش نیاید. به‌طور کلی، هرجا نیاز به سرعت بالا و مدیریت هوشمند انرژی باشد، HBM گزینهٔ اصلی است!

نقاط قوت و ضعف حافظه‌های HBM

هیچ فناوری خالی از نقص و از طرفی کاملاٌ بی‌فایده نیست. حافظه HBM نیز در کنار نقاط قوت منحصر‌به‌فرد خود، معایبی دارد که باعث می‌شود برای بعضی کاربری‌ها یا افراد خاص مناسب نباشد. در ادامه این موارد را بررسی می‌کنیم. برای بررسی ساده‌تر می‌توانید مزایا و معایب کلی این فناوری را در تصویر زیر مشاهده کنید:

مزایای حافظه HBM:

1. سرعت خیره‌کننده: HBM با چیدمان عمودی تراشه‌ها و هزاران مسیر موازی (تا ۱۰۲۴ مسیر در هر بسته)، داده‌ها را با سرعت چند ترابایت بر ثانیه منتقل می‌کند. این سرعت برای کارهای سنگینی مثل رندرینگ گرافیک سه‌بعدی یا آموزش مدل‌های هوش مصنوعی بی‌نظیر است.

2. مصرف انرژی پایین: چون تراشه‌ها نزدیک به پردازنده قرار می‌گیرند، مسیر انتقال داده‌ها کوتاه می‌شود و انرژی کمتری مصرف می‌شود. HBM نسبت به حافظه‌های معمولی مثل GDDR، تا ۵۰٪ صرفه‌جویی انرژی دارد و گرمای کمتری تولید می‌کند.

3. فضای فشرده: طراحی عمودی HBM باعث می‌شود فضای کمتری روی برد اشغال شود. این ویژگی برای دستگاه‌های کوچک یا سرورهای بزرگ اهمیت زیادی دارد.

معایب حافظه HBM:

1. هزینه تولید بالا: ساخت HBM به فناوری‌های پیچیده‌ای مثل سیم‌های میکروسکوپی (TSV) و صفحه‌های رابط پیشرفته نیاز دارد که هزینه تولید را چندبرابر حافظه‌های معمولی می‌کند.

2. محدودیت در استفاده عمومی: قیمت بالای HBM باعث می‌شود فقط در محصولات خاص مثل کارت‌های گرافیک حرفه‌ای یا سرورهای هوش مصنوعی استفاده شود. برای کاربران معمولی یا گیمرها، گزینه‌های ارزان‌تری مثل GDDR6 مناسب‌تر هستند.

3. چالش‌های فنی: تولید HBM نیاز به دستگاه‌های پیشرفته و آزمایش‌های دقیق دارد. کوچک‌ترین اشتباه در اتصال لایه‌ها می‌تواند کل تراشه را بی‌استفاده کند!

مقایسه حافظه HBM با فناوری‌های مشابه

وقتی صحبت از حافظه‌های پرسرعت می‌شود، HBM همیشه در صدر فهرست قرار می‌گیرد. اما چرا همه از آن استفاده نمی‌کنند؟ برای پاسخ به این سوال باید HBM را با سه رقیب اصلی خود یعنی DDR، GDDR6 و HMC مقایسه کنیم.

ابتدا باید بگوییم که حافظه HBM مانند یک اتوبان عریض است که داده‌ها را با سرعت چندین ترابایت در ثانیه منتقل می‌کند. این سرعت بالا به‌دلیل چیدمان عمودی تراشه‌ها و مسیرهای موازی زیاد است؛ اما ساخت این اتوبان هم گران است و هم پیچیده! به‌همین‌دلیل، HBM معمولاً در کارت‌های گرافیک حرفه‌ای یا سرورهای هوش مصنوعی دیده می‌شود.

در مقابل، GDDR6 شبیه یک بزرگراه است که اگرچه حرکت در آن با سرعت خوبی امکان‌پذیر است؛ ولی به چای HBM نمی‌رسد. این حافظه با افزایش فرکانس تا ۲۰ گیگابیت بر ثانیه، سرعت خوبی دارد، ولی پهنای باند آن از HBM کمتر است. از طرفی، قیمت GDDR6 پایین‌تر است و مصرف انرژی بیشتری دارد. به‌همین‌دلیل، در کارت‌های گرافیک مخصوص بازی یا کامپیوترهای شخصی استفاده می‌شود.

حافظه‌های معمولی مثل DDR4 یا DDR5 که در لپ‌تاپ‌ها و کامپیوترهای خانگی استفاده می‌شوند، سرعت بسیار کمتری دارند و در کنار آن قیمت‌شان هم بسیار مناسب‌تر است. این حافظه‌ها برای کارهای روزمره مثل وب‌گردی یا کارهای اداری کفایت می‌کنند، اما برای پردازش‌های سنگین مثل رندرینگ گرافیکی یا هوش مصنوعی اصلاً به کار نمی‌آیند.

آخرین رقیب فناوری ما HMC است که هدفی شبیه HBM دارد، اما روش کار آن متفاوت است. HMC از رابط سریال استفاده می‌کند و بیشتر برای سرورهای مراکز داده طراحی شده است. بااین‌حال، به‌دلیل پیچیدگی‌های فنی، هرگز به محبوبیت HBM نرسیده است.

آینده حافظه HBM چطور پیش می‌رود؟

نسل بعدی حافظه‌های HBM به‌زودی از راه می‌رسد! نسل چهارم این فناوری با نام HBM4، سرعت انتقال داده را به بیش از 1 ترابایت در ثانیه خواهد رساند. شرکت‌هایی مثل اس‌کی هاینیکس و میکرون قصد دارند اولین محصولات HBM4 را تا سال ۲۰۲۵ به بازار عرضه کنند. این نسل جدید با معماری ۱۶ لایه‌ای و فناوری اتصال پیشرفته‌تر، ارتباط بین لایه‌های حافظه را محکم‌تر و سریع‌تر می‌کند.

حافظه HBM4 تحولی در هوش مصنوعی و ابررایانه‌ها ایجاد خواهد کرد. شرکت‌هایی مثل انویدیا می‌خواهند از این فناوری در پردازنده‌های گرافیکی جدید خود استفاده کنند تا مدل‌های هوش مصنوعی سریع‌تر آموزش ببینند و انرژی کمتری مصرف کنند. همچنین، پیشرفت در روش‌های بسته‌بندی تراشه‌ها باعث می‌شود قطعات الکترونیکی نزدیک‌تر به هم قرار بگیرند، داده‌ها سریع‌تر منتقل شوند و مصرف برق هم کاهش یابد.

این تحولات نه‌تنها سرعت پردازش را بالا می‌برد، بلکه هزینه‌های اجرایی مراکز داده را هم کم می‌کند. در آینده‌ای نزدیک، شاهد سیستم‌های هوش مصنوعی دقیق‌تر، ابررایانه‌های قدرتمندتر و سرویس‌های ابری بزرگ‌تر خواهیم بود و HBM4 کلید این پیشرفت‌ها خواهد بود.

سخن پایانی

همان‌طور که در این مقاله خواندید، حافظه HBM با معماری منحصربه‌فرد خود تحولی شگرف در صنعت پردازش داده‌ها ایجاد کرده است. از کارت‌های گرافیک پیشرفته تا سیستم‌های هوش مصنوعی و ابررایانه‌ها، این فناوری به بخشی حیاتی از زیرساخت‌های دیجیتال امروز تبدیل شده است. حالا نوبت شماست! نظرتان را درباره نقش HBM در شکل‌گیری فناوری‌های آینده با ما به اشتراک بگذارید. به‌نظر شما آیا این حافظه می‌تواند چالش‌های سرعت و مصرف انرژی در صنعت را به‌طور کامل برطرف کند؟

منابع:

Wikipedia

Eetasia

Bittware