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Definition Was ist High Bandwidth Memory (HBM)?

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Rainer Graefen

Das dynamische Random Access Memory, kurz DRAM, war viele Jahrzehnte mit wenigen Nanosekunden Zugriffszeit der schnellste Speicher im Computer. Mit dem High Bandwidth Memory (HBM) ändert sich das zwar nicht, aber die Transfergeschwindigkeit erreicht neue Dimensionen. Der im ersten Schritt doppelt so schnell wie DRAM arbeitende Memory-Stapel findet im Grafikspeicher, in Supercomputern und inzwischen auch als Zwischenspeicher in SSDs seine Einsatzgebiete.

Schnelle Verarbeitung ist nur möglich, wenn der Speicher so nah bei der CPU sitzt wie möglich.
Schnelle Verarbeitung ist nur möglich, wenn der Speicher so nah bei der CPU sitzt wie möglich.
(Bild: AMD)

Grafikkarten werden seit einigen Jahren mit speziellen Grafikspeichern wie GDDR5-SGRAM bestückt. Diese arbeiten mit höheren Taktfrequenzen und werden mit Busbreiten von 512 Bit an den Grafikprozessor angeschlossen. Damit werden bisher schon über 300 Gigabyte pro Sekunde zwischen Grafikprozessor und -speicher transferiert. Bei Bildschirmauflösungen von 4k und 5k für PC-Spiele und Videos mit 60 Bildern pro Sekunde reicht das jedoch nicht mehr aus.

Mit herkömmlichen Grafikspeicherchips steckt man nun allerdings in der Zwickmühle, da höhere Taktfrequenzen den Stromverbrauch und damit die Kühlleistung in die Höhe treiben. Dazu kommen lange Leitungswege, die störende Latenzen im Nanosekundenbereich verursachen. Und für breitere Grafikbusse ist schlicht kein Platz mehr vorhanden.

Der Grafikspeicher verwandelt sich mit HBM in einen Memory-Stack, der über eine zusätzliche Verbindungsschicht, den Interposer, mit der Grafik-CPU verbunden wird. Bei einem 1-GB-HBM-DRAM werden vier DRAM-Lagen übereinandergestapelt und mit einer eigenständigen Signalverstärkung versehen. Die ist notwendig, damit die 1.024 Datenleitungen eine gleichbleibende Signalqualität besitzen. Räumlich betrachtet ist der Memory-Stack daumennagelgroß (ungefähr 7 mal 5 mm), und die Höhe beträgt nur circa 0,5 Millimeter.

Technische Leistungsdaten

Erste Grafikkarten wurden mit vier HBM-Stacks ausgestattet, so dass sich einige erstaunliche Merkmale ergeben. Der oben erwähnte Interposer beherbergt in mehreren Ebenen über 5.000 Daten- und Adressleistungen. Pro Datentransfer werden bei 1.024 Datenleitungen 128 Byte pro HBM übertragen. Bei einer Taktfrequenz von 500 MHz und Signalübertragung auf beiden Flanken ergibt das einen Datendurchsatz von 128 GB/s. Bei 4 HBM-Stacks errechnen sich so 512 GB/s. Das ist mehr als bei der Vorgängerversion GDDR, zeigt aber auch, dass noch viel Luft nach oben ist, da GDDR mit bis zu 3 GHz arbeitet.

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