Efter 7 år på marknaden börjar det bli dags för GDDR5-tekniken att lämna över stafettpinnen till nästa generations grafikminne. HBM, eller High Bandwidth Memory, byggs på höjden och utlovar mer än tre gånger mer prestanda per watt, på bara en bråkdel av kretsytan.
Att HBM-minne är på ingång är i sig ingen nyhet och vi har skrivit en hel del om tekniken tidigare, då främst i samband med rykten och läckor kring AMD:s kommande entusiastgrafikkort Radeon R9 390X samt Nvidias framtida Pascal-familj. Allt mer talar för att ett eller flera nya grafikkort från AMD ligger som högst några veckor bort, och i samband med de uppgifterna har det röda laget nu offentliggjort nya tekniska detaljer kring HBM-tekniken.
Under en presskonferens meddelar AMD att man har arbetat på HBM-tekniken under sju års tid i samarbete med Hynix – det vill säga att minnestypen har varit under utveckling sedan den nyvarande branschstandarden GDDR5 var purfärsk på marknaden. GDDR5 har legat i framkant med sin höga bandbredd under en lång tid, men i takt med att grafikkretsar och bussanslutningar blir snabbare och effektivare har tekniken visat tydliga gråa hår.
Det är helt enkelt svårt att fortsätta skala GDDR5 nämnvärt, inte minst med tanke på att de flesta aktörer redan pressar frekvenserna hos grafikminnet rejält och att minneskretsarna tar upp en avsevärd mängd utrymme på ett modernt grafikkort med 4 eller 6 gigabyte. Därtill skalar strömförbrukinngen hos GDDR5 inte linjärt, vilket gör minnet till en allt större energibov.
HBM – minne på höjden
HBM för med sig flera stora förändringar, där kanske den mest markanta utöver själva minnesarkitekturen är att grafikminnet och grafikkretsen inte längre sammanlänkas helt plant utan istället med en så kallad 2.5D-struktur, vilket i sin tur innebär att systemet blandar kretsar med 3D- och 2D-struktur. Men vad innebär det?
En 2D-krets är en traditionell krets som vi är vana att se dem, där kretsen byggs i ett lager och olika kretsar (exempelvis grafikprocessorn och minneskretsen) placeras bredvid varandra på ett plan. Det har fungerat bra hittills för att industrin ständigt har kunnat förfina sin tillverkningsteknik och på så sätt kunnat klämma in fler transistorer och därmed mer prestanda på samma yta. Men nu när vi står inför en marknad där det tar längre och längre tid att implementera ny tillverkningsteknik och prestandavinsterna från en sådan övergång blir allt mindre så behöver den totala kretsytan bli större och större.
En 3D-krets tacklar istället detta genom börja bygga på höjden och stapla kretsarna istället för att sätta dem bredvid varandra. Det är en lösning vi bland annat har börjat se på lagringsmarknaden, exempelvis med Samsungs 3D V-NAND, och som innebär att det går att klämma in betydligt mer lagring, minne eller prestanda på en given yta – du kan helt enkelt dubblera mängden transistorer genom att öka storleken marginellt på höjden och få mer yta över till annat.
En 2.5D-krets blandar dessa två tekniker, vilket är precis vad en grafikkrets tillsammans med HBM-minne kommer göra. Själva grafikkretsen byggs (än så länge) fortfarande plant, men HBM-minne kan staplas på höjden. Varje nytt lager i HBM-kretsen bidrar med mer bandbredd och högre kapacitet, och det går att ansluta flera staplar till en grafikkrets. HBM-minnet och grafikkretsen byggs sedan uppepå en så kallad interposer, där anslutningar kan gå antingen rakt igenom materialet (TSV, eller through silicon vias) eller genom det i breddled (microbump).
Mer än tre gånger mer bandbredd per watt
AMD menar att det upplägget kommer föra med sig en rad fördelar gentemot GDDR5, varav vissa blir markanta. Till att börja med innebär staplingen att du kan få plats med samma minnesmängd som GDDR5 på 94 procent mindre yta, något som öppnar upp för att bygga betydligt mindre grafikkort och möjligheten att klämma in mer minne i exempelvis mini ITX-anpassade kort. Det för såklart även med sig uppenbara fördelar för eventuella kommande APU-kretsar och bärbara datorer där kretsyta ständigt är en bristvara.
Därtill ska skillnaderna i prestanda och energieffektivitet vara avsevärda – medan GDDR5-minne kan komma upp till ungefär 30 gigabyte per sekund via en 32-bits bussbredd per chip ska HBM klara väl över 100 gigabyte per sekund per stapel, där varje stapel får 1 gigabyte lagring och en 1 024-bits minnesbuss. Det innebär över 400 gigabyte per sekund för ett grafikkort med fyra staplar.
Den prestanaknuffen ska kunna åstadkommas med en bråkdel av klockfrekvensen hos GDDR5, där vi idag har för vana att se kretsar arbeta i 1 500 – 2 000 megahertz och en spännig på 1,5 volt. HBM ska klara av att pressa ut betydligt högre bandbredd med en frekvens på bara 500 megahertz och en spänning på 1,3 volt. Allt som allt menar AMD att vi kan vänta oss över tre gånger mer prestanda per watt från HBM, samtidigt som den lägre spänningen och basfrekvensen innebär stora möjligheter för överklockning.
Högst 4 GB för R9 300-serien?
Något som kan komma att bli en begränsning, men som AMD fortfarande är något tystlåtna om, är faktumet att det är högst 1 gigabyte per stapel som gäller för första generationens HBM-minne. Flera uppgifter talar om att det kommer bli fyra staplar som mest för AMD:s kommande entusiastgrafikkort, vilket skulle innebär att R9 300-serien får ett tak på 4 gigabyte minne. Under presskonferensen ville AMD inte kommentera detaljerna kring kommande grafikkort, men påpekade att kapacitet inte kommer vara en lika stor begränsning när bandbredden blir så pass hög.
Av allt att döma kan vi räkna med nya grafikkort från AMD någon gång under juni månad, antingen under E3-mässan eller under Computex, och HBM-minne bör bli en av hörnstenarna för den lanseringen. Uppgifter talar även om ett betydligt mindre grafikkort än tidigare, något som faller i linje med löftena om HBM-minnets mindre fotavtryck. Vi har inte fått någon tidsram för när vi kan tänkas få se HBM i fler produkttyper, men av allt att döma kan nya APU-kretsar och bärbara grafikkretsar inte heller ligga allt för långt borta.
