电子行业深度研究报告：AI浪潮汹涌，HBM全产业链迸发向上

AI需求爆发驱动HBM快速增长，三大存储原厂引领市场。HBM即高带宽存储器，是一种基于3D堆叠工艺的DRAM内存芯片，具有高内存带宽、低能耗、更多I/O数量、更小尺寸等优势。自2013年海力士首次制造问世以来，HBM已迭代至第五代HBM3E，该代际产品最大容量为36GB，每引脚最大数据速率为9.2Gbps，最大带宽超过每秒1.18TB。ChatGPT爆火AI大模型迎来快速发展，引爆算力需求，HBM助力突破存储瓶颈，成为高速计算平台的最优解决方案。为应对NVIDIA和大型CSP厂商对高带宽存储订单的不断增加，各大存储供应商持续扩大HBM产量，有望推动HBM市场规模在2024年达到169亿美元，同比增长288 %，占DRAM产业产值比重或提升至20.1%，同比提升11.7pct。SK海力士独占HBM市场半壁江山，三星有望逐步缩小差距。根据TrendForce数据，2022年三大原厂HBM份额分别为SK海力士占比50%，三星占比约40%，美光（Micron）占比约10%。 设备端：TSV提升前道工艺及设备需求，混合键合对先进封装提出了更高的要求。TSV是HBM核心工艺，成本占比近30%。TSV属于前道工艺，用于生产HBM的DRAM颗粒需要在制造过程中预留TSV打孔的位置，属于定制颗粒，其中最关键的中通孔（Via Middle）的制备涉及刻蚀、沉积、电镀、抛光等前道工艺，提振相关设备需求。互联距离/互联密度/导热效率优势加持，混合键合或为未来HBM主流堆叠键合技术。混合键合设备的平均售价将显著高于目前最先进的Flip chip（倒装芯片）或TCB键合系统。随着HBM需求持续抬升，存储领域将会贡献明显增量，中性假设下全球2030年混合键合设备保有量有望达到1400台左右。混合键合对表面光滑度、清洁度和粘合对准精度要求更为严格，生产必须在标准接近前端晶圆厂级别的超洁净室、自动化工厂和工艺专业知识要求的环境中进行，对先进封装和测试的工艺及设备提出了更高的要求，键合设备、刻蚀机、电镀机、沉积设备、量测和测试设备等有望受益。建议关注拓荆科技、华海清科、中微公司、北方华创、芯源微、中科飞测、赛腾股份、精智达。 材料端：TSV、MR-MUF带动EMC材料、前驱体、电镀液、底填胶等增量需求。MR-MUF和EMC塑封料是SK海力士实现HBM3技术升级的关键工艺及材料，MR-MUF相比目前主流堆叠工艺TC-NCF具有散热好等优势，SK海力士2016年首次在HBM2E上采用，随着后续堆叠层数变高减薄散热要求进一步提高，EMC材料有望迎来进一步发展。TSV制备涉及刻蚀、沉积、电镀、抛光等工艺，电镀液抛光材料等需求提升。此外HBM由多层堆叠而成，制造端前驱体、光刻胶等用量需求提升，封装端需用underfill填充保护，底填胶、载板亦有望受益。建议关注雅克科技、华海诚科、德邦科技、沃格光电、上海新阳。 HBM需求高增有望拉动先进封测需求，建议关注通富微电、长电科技、深科技。经销商环节亦有望受益，建议关注香农芯创。 风险提示：产能扩张进度不及预期风险，产品迭代不及预期，行业竞争加剧。 投资主题 报告亮点 本报告细致分析了HBM产业链及其良好的发展前景，依次梳理了HBM产品特征及优势、技术演进、爆发背景、前景展望、竞争格局、上游供应商等，其中从工艺难点切入，着重分析了HBM制备过程中的设备和材料需求，我们认为：1）设备端：TSV与混合键合对于前后道工艺和设备均提出了更高的要求；2）材料端：TSV、MR-MUF带动EMC材料、前驱体、电镀液、底填胶等增量需求。此外，HBM需求高增，先进封测与经销商环节亦将受益。 投资逻辑 HBM具有高带宽优势，AI需求爆发驱动HBM快速增长，2024年市场规模有望同比高增288%达到169亿美元，占DRAM产业产值比重或提升至20%。 竞争格局来看，SK海力士独占HBM市场半壁江山，三星有望逐步缩小差距。 TSV、MR-MUF与混合键合为其中关键工艺：TSV是HBM核心工艺，成本占比近30%，TSV属于前道工艺，制备涉及刻蚀、沉积、电镀、抛光等工艺，对相关环节前道设备和电镀液抛光材料等需求提升；而混合键合或为未来HBM主流堆叠键合技术，其生产必须在标准接近前端晶圆厂级别的超洁净室、自动化工厂和工艺专业知识要求的环境中进行，对先进封装和测试的工艺及设备提出了更高的要求；MR-MUF和EMC塑封料是SK海力士实现HBM3技术升级的关键工艺及材料，此外HBM由多层堆叠而成，制造端前驱体、光刻胶等用量需求提升，封装端需用underfill填充保护，底填胶、载板亦有望受益。建议关注：拓荆科技、华海清科、中微公司、北方华创、芯源微、中科飞测、赛腾股份、精智达、雅克科技、华海诚科、德邦科技、沃格光电、上海新阳、通富微电、长电科技、深科技、香农芯创等。 一、HBM凭高带宽优势成AI芯片主流选择，三大存储厂引领市场 （一）HBM具有高带宽优势，AI需求爆发驱动HBM快速增长 HBM（High Bandwidth Memory）即高带宽存储器，是一种基于3D堆叠工艺的DRAM内存芯片，具有高内存带宽、低能耗、更多I/O数量、更小尺寸等优势。随着显卡芯片快速发展，GDDR5已经逐渐不能满足对带宽的需求，技术发展也进入瓶颈期，阻碍了显卡芯片性能的持续提升。2009年AMD开始着手HBM的研发，并联合海力士在2013年首次实现HBM的制造问世。 图表1搭载GDDR5与HBM存储器的芯片结构 图表2 GDDR5与HBM性能对比 在每个HBM封装内部，多个DRAMdie通过TSV（硅通孔）和Microbump（微凸块）连接，堆叠后连接到下层DRAM的逻辑die；DRAM再通过uBump和Interposer（中介层）连接GPU芯片。Interposer再通过Bump连接到BALL，BGAball再连接到封装基板上。 图表3 HBM结构示意图 HBM技术快速迭代，向更大带宽、更快传输速率演进。2014年推出的HBM1带宽为128Gb/s，高于DDR4和GDDR5，容量为1GB，同时较小的尺寸能够消耗较低的功率； 海力士在2018年推出了HBM2，性能是HBM1的2-3倍，带宽达到了307GB/s，容量扩大到了4-8倍。2020年海力士又推出了HBM2的扩展版本——HBM2E，带宽和容量进一步扩大，到2022年海力士推出并量产了全球首款HBM3，堆叠层数达到了8/12层，容量已提高到了16/24GB。2024年2月，美光科技表示，其HBM3E内存已开始量产，并将用于英伟达的H200计算GPU，预计于2024年第二季度发货。HBM3E最大容量为36GB，每引脚最大数据速率为9.2Gbps，最大带宽超过每秒1.18TB。 图表4五代HBM对比 大模型要求算力提升速度加快，HBM助力突破存储瓶颈。ChatGPT爆火AI大模型迎来快速发展，引爆算力需求。GPT-3等超大语言模型对算力的提升速度要求已经突破了后摩尔时代算力提升速度的极限，“内存墙”已成为重要的性能瓶颈。内存墙问题不仅与内存的大小有关，还与内存的传输带宽有关。在过去20年间硬件的峰值计算能力提高了90000倍，即使存储器从DDR发展到GDDR6x，内存/硬件互联带宽也只提高了30倍。 HBM相比DDR具有更高的带宽和更低的功耗，是高速计算平台的最优解决方案。 图表5训练模型的计算性能趋势 HBM3成高端AI训练芯片主流选择。目前NVIDIA的A100和H100，分别搭载了达80GB的HBM2E和HBM3，在Grace Hopper芯片中，单颗芯片的HBM搭载容量再提升20%，达到96GB。2024年GTC人工智能大会正式发布Blackwell芯片，单颗芯片的GPU显存容量高达192GB，搭载HBM3E，显存带宽有8TB/s。此外AMD的MI300也搭载HBM3，其中MI300X容量达192GB，八颗HBM3堆栈带宽达5.2TB/s。 图表6部分高端AI芯片显存方案 HBM市场规模迎来快速增长，预计24年全球达169亿美元市场空间。为应对NVIDIA和大型CSP厂商对高带宽存储订单的不断增加，各大存储供应商持续扩大HBM产量，TrendForce根据供应商当前的生产计划进行的预测表明，到2024年，HBM位元供应量将增加260%。2023年至2024年将是AI发展的关键年，将引发对AI训练芯片的大量需求，从而提高HBM配置率。2023年起市场主要需求将从HBM2e转向HBM3，根据TrendForce数据及预测，2022-2024年HBM3需求占比分别为8%/39%/60%，HBM3凭借其卓越性能加持ASP显著高于前序版本，或进一步推动HBM市场规模在2024年达到169亿美元，同比增长288%，届时HBM占DRAM产业产值比重或提升至20.1%，同比提升11.7pct。 图表7 HBM3需求占比显著提升 图表8 2022-2024E全球HBM市场规模（亿美元） （二）SK海力士独占半壁江山，三星&美光紧随其后 SK海力士具备先发优势，三星奋起直追，美光专注先进世代产品。当前HBM的量产厂商是三大存储厂，2012年海力士成功研发HBM1后，三星奋起直追，2016年即宣布开始量产4GB HBM2 DRAM，并在同年开始生产8GB HBM2。2019年8月，SK海力士宣布成功研发出新一代“HBM2e”；2020年2月，三星也正式宣布推出其16GB HBM2e产品“Flashbolt”，于2020年上半年开始量产。2021年10月，SK海力士发布了全球首款HBM3，并于2022年6月正式量产，供货英伟达，击败了三星再度于HBM上拿到了技术和市场优势。而另一大存储厂商美光在2018年放弃HMC后才转向GDDR6和HBM产品的研发，将更多研发投入HBM3E及更先进世代产品。 图表9三大原厂HBM解决方案开发进度 SK海力士独占HBM市场半壁江山，三星有望逐步缩小差距。根据TrendForce数据，2022年三大原厂HBM份额分别为SK海力士占比50%，三星占比约40%，美光（Micron）占比约10%。SK海力士目前在HBM3生产方面处于领先地位，是NVIDIA服务器GPU的主要供应商。由于三星从CSP获得的订单数量不断增加，预计2024年三星与SK海力士之间的市场份额差距将大幅缩小。主要专注于HBM3E开发的美光科技未来两年的市场份额可能会略有下降。 图表10全球HBM市场格局 HBM供应依然紧俏，2024年订单量预计持续攀升。HBM Die Size较DDR5同制程与同容量尺寸大35～45%；良率（包含TSV封装良率），则比起DDR5低约20～30%；生产周期（包含TSV）较DDR5多1.5~2个月不等。HBM生产周期较DDR5更长，从投片到产出与封装完成需要两个季度以上。因此，急欲取得充足供货的买家需要更早锁定订单量，据TrendForce集邦咨询了解，大部分针对2024年度的订单都已经递交给供应商，除非有验证无法通过的情况，否则目前来看这些订单量均无法取消。以HBM产能来看，三星/SK海力士/美光至2024年底的TSVHBM月总产能有望达到130K/120~125K/20K。 图表11 2023~2024E各供货商HBM/TSV产能预估 二、HBM技术概述：TSV、MR-MUF与混合键合为关键工艺 HBM的加工流程包括前端的晶圆加工、后端的Bumping(凸点)和Stacking(堆叠)以及KGSD测试。TSV和MR-MUF封装技术是HBM技术应用的核心工艺，混合键合工艺应用前景良好。 图表12 HBM加工工艺 （一）TSV：HBM制备核心工艺 TSV封装可以提高堆叠密度，降低互联延迟。TSV（Through-SiliconVias）即硅通孔技术，指在芯片上钻孔并通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现芯片的垂直电气互联。 硅通孔封装的优势在于：1）可以实现较小的封装尺寸：随着堆叠芯片及连接引脚（Pin）的数量增加，