【半導体】HBMの基礎【メモリ】

生成AIの需要拡大に伴って注目が集まっているHBM（High Bandwidth Memory）の基礎知識をわかりやすくまとめました。

1. HBMとは？

HBM（High Bandwidth Memory、高帯域幅メモリ）は、特に高速なデータ転送を必要とするアプリケーションのために設計された、新しいタイプの半導体メモリです。
通常のメモリよりも多くのデータを、より速く処理できるのが特徴です。

そもそもメモリとは？

メモリは、コンピュータの中で情報を一時的に保持する役割を果たします。
例えるなら、勉強で使うノートのようなものです。
CPUやGPUは、コンピュータの計算や処理を司る頭脳部分です。
CPUやGPUが問題を解決するためには、データや命令が必要です。
メモリはそのデータや命令を一時的に保管しておく場所です。
つまり、CPUやGPUが効率良く作業を進めるためには、メモリが不可欠なのです。

メモリが遅いと何が問題か？

メモリの速度がCPU/GPUの速度に追いつかない場合、CPU/GPUはデータがメモリから供給されるのを待たなければなりません。
つまり、CPU/GPUが持っている処理能力をフルに活用できず、システム全体のパフォーマンスが低下してしまいます。
例えば、レストランで料理を早く作ることができるシェフがいても、材料を取りに行くウェイターが遅いということです。
シェフ（CPU/GPU）は料理（処理）をとても速く作れるが、ウェイターが材料（データ）を運ぶのが遅いため、シェフは手を止めてウェイターを待たなければならない状況です。
その結果、レストラン（システム）全体の効率が下がってしまいます。

どうやって高速化を実現しているのか？

HBMは、複数のメモリ層を重ねて接続するスタック方式を採用しています。
これにより、メモリチップ間でのデータの移動距離が短くなり、さらに、これらの層を通じてデータを送るための経路も増えます。
さらに、これらの積み重ねられたチップ間で直接データをやり取りできるため、速度が格段に向上します。
イメージとしては、高速道路にたくさんの車（データ）が同時に走ることができるように、データ転送用の車線を増やして、制限速度も引き上げたようなものです。

どんなメリットがあるのか？

HBMの最大のメリットは、その驚異的なデータ転送速度です。
これにより、特にグラフィックス処理や人工知能の計算など、大量のデータを高速に扱う必要があるアプリケーションで大きな利点があります。

もう一つのメリットは、エネルギー効率の良さです。
データ転送が効率的に行われるため、同じ量のデータを処理する際に消費する電力が少なくて済みます。
これは、特にモバイルデバイスやエネルギー消費を抑えたいデータセンターにとって非常に重要です。

そして、HBMは積み重ねられた構造のおかげで、物理的なスペースをあまり取らないというメリットもあります。
これにより、コンパクトながらも高性能なデバイスの設計が可能になります。

デメリットはないのか？

HBMの製造コストが高いことが挙げられます。
積み重ねる技術や高密度なインターコネクト（チップ同士をつなぐ技術）は複雑で、製造が難しくなるため、結果として価格が上昇します。

さらに、HBMは特殊な技術を使っているため、従来のメモリと比べて互換性の問題があることもあります。
これは、既存のシステムやアーキテクチャにHBMを組み込む際に、追加の工夫や設計変更が必要になることを意味します。

そして、積層されたチップ間での熱管理が難しくなります。
チップが発する熱が逃げにくくなるため、過熱を防ぐための工夫が必要です。