HBMとは？高帯域幅メモリーとDRAMの違い、HBM3E・HBM4

HBMは高帯域幅メモリー（high-bandwidth memory）の略です。AIモデルを学習させ、動かすチップのすぐ隣に詰め込まれるメモリーです。新しい種類のメモリーセルではありません。スマートフォンやPCに入っている作業用メモリーと同じDRAMを、別の形に組み上げたものです。主な供給元はSKハイニックス、サムスン電子、マイクロン（Micron）の3社です。

HBMは何でできているのか

ベースチップの上に、薄いDRAMチップを積み重ねたものです。マイクロンはこう説明しています。「HBMは、任意で置かれるベースダイの上に複数のDRAMダイを垂直に積み重ねる。それらは数千本のシリコン貫通電極（TSV）とマイクロバンプで相互に接続される」。シリコン貫通電極とは、チップをまっすぐ貫く極小の縦方向の配線です。マイクロンの言葉では、これによりデータは「チップの縁を回り込むのではなく、シリコンの積層を直接通って流れる」ことができます。

マイクロンは、各スタックを構成するチップを3種類に分けています。TSVを持つDRAMダイ、TSVを持たず「メモリーとしての役割に加えて構造的な強度も担う」やや厚い最上部のDRAMダイ、そして最下部の「システムと接続するためのTSVを備えた」ロジックダイです。サムスン電子は、世代を追うごとにベースダイの重要性が高まっていると説明しています。HBM4では、このダイを自社の4ナノメートルのファウンドリー工程で製造しています。

スタックの高さはさまざまです。サムスン電子によると、HBMは「一般的に」4層、8層、12層の構成で提供され、同社のHBM4Eは16層に達します。層を増やせば容量は増えます。ただしサムスン電子が指摘するように、「熱や製造上の課題も大きくなる」とされます。層は特殊な工程で接合・保護されます。SKハイニックスはMR-MUFと呼ぶ工程を使っています。チップの間に液状の保護材を注入し、硬化させる方法です。

HBMは通常のDRAMとどう違うのか

主な違いは、形とプロセッサーとのつなぎ方です。マイクロンは「チップを横に並べる従来のメモリーとは異なり、HBMはDRAMダイを縦に積み重ねる」と説明しています。スタックはプロセッサーのすぐ隣、同じパッケージの中に置かれます。そのため、非常に幅の広い接続を使えます。サムスン電子の製品ページによると、データ線はHBM3とHBM3Eでスタックあたり1,024本、HBM4では2,048本です。同時に動く線が多いほど、1秒あたりに運べるデータははるかに多くなります。

両者は競合関係にはありません。マイクロンは、HBMは「ほかの種類のメモリーに取って代わるのではなく、それらと併用される。たとえば現代のシステムでは、CPUがLPDDR5やDDR5を使ってシステム全体を調整し、GPUは負荷の高い計算にHBM4を使う」と述べています。速度の代償は複雑さです。マイクロンはHBMを「製造が難しい部類のメモリー製品の一つ」と呼んでいます。

HBM3、HBM3E、HBM4はどう違うのか

世代ごとに、インターフェースの幅を広げるか、ピンあたりの速度を上げるか、あるいはその両方を進めてきました。スタックあたりの帯域幅は、おおむねデータ線の本数にデータ線あたりの速度を掛け、ビットをバイトに換算するため8で割った値になります。

世代	スタックあたりのデータ線	ピンあたりの速度	スタックあたりの帯域幅	スタックあたりの容量
HBM3（サムスン電子）	1,024	6.4 Gbps	最大819 GB/s	16 GBまたは24 GB
HBM3E（サムスン電子）	1,024	最大9.2 Gbps	最大1,180 GB/s	24 GB（8層）、36 GB（12層）
HBM4（サムスン電子）	2,048	最大13 Gbps	最大3.3 TB/s	36 GB（12層）
HBM4E（サムスン電子）	2,048	最大16 Gbps	4 TB/s	最大64 GB（16層）

業界標準は、半導体の標準化団体であるJEDECが定めています。SKハイニックスによると、HBM4のJEDEC標準の動作速度はピンあたり8 Gbpsです。各メーカーはそれより速い製品を出荷しています。SKハイニックスは自社のHBM4が10 Gbps超で動作するとしています。サムスン電子は、量産したHBM4が安定して11.7 Gbpsで動作し、「業界標準の8Gbpsを約46%上回る」うえ、13 Gbpsにも対応できるとしています。マイクロンのHBM4は11 Gbps超で動作し、スタックあたり2.8 TB/s超の帯域幅を持ちます。

新しい世代で容量が必ず増えるとは限りません。マイクロンは、12層のHBM4スタックは「スタックあたり36GBのメモリー容量（前世代と同じ）を提供する」一方、帯域幅は2倍以上になると指摘しています。

HBM4の量産はいつ始まったのか

• SKハイニックスは2025年9月12日、HBM4の開発を完了し、「世界で初めて量産」の準備を整えたと発表しました。
• サムスン電子は2026年2月12日、「業界をリードするHBM4の量産を開始し、顧客に商用製品を出荷した」と発表しました。
• マイクロンは「HBM4 36GB 12Hを大量生産している」とし、48 GB・16層版のサンプル出荷も進めているとしています。

サムスン電子は、HBM4Eのサンプル出荷が2026年下半期に始まる見通しです。韓国の2社の市場シェアと業績はサムスン電子とSKハイニックスのHBM比較で、メモリーメーカー全体はメモリーは誰が何を作るのかで取り上げています。

AIアクセラレーターにHBMが必要な理由

AIチップの性能は、計算そのものよりも、演算ユニットにデータを送り込む速さで制約されることが多いためです。マイクロンは例を挙げています。推論（リーズニング）モデルは「数百もの中間的な論理ステップを評価しなければならない」とし、そのためには「毎秒テラバイト単位のデータがメインメモリーとプロセッサーの間を流れる必要がある」と説明しています。

そのため、各アクセラレーターはプロセッサーの周りに複数のHBMスタックを搭載しています。Googleによると、第7世代のTPU「Ironwood」は、チップあたり192 GBのHBMを持ち、HBMの帯域幅はチップあたり7.37 TB/sです。HBMはGPUにもカスタムチップにも使われます。マイクロンは、プロセッサーが「適切なパッケージングを備えて」いれば、HBM4は「GPUとカスタムASICの両方で使える」としています。そうしたパッケージングの一つが、プロセッサーとHBMスタックをインターポーザーの上に並べて置くTSMCのCoWoSです。詳しくはCoWoSとは何かで説明しています。

HBMは半導体株にとって何を意味するのか

AIアクセラレーターがHBMを使うため、HBMはメモリーメーカーの業績をAI投資に結び付けます。アクセラレーターメーカーの計画や業績がメモリーメーカーにどう波及するかは、エヌビディアの決算がメモリー株を動かす理由とカスタムAIチップとはをご覧ください。メモリーのマップでは、SKハイニックス、サムスン電子、マイクロンを、HBMの積層や検査に使う装置を作る企業と並べて表示しています。