AI ブームが DRAM 不足と価格高騰を加速

最近、テクノロジーのすべてが AI に関するものであるかのように感じられるとしたら、それはその通りだからです。そして、それが最も当てはまるのはコンピューターのメモリ市場です。 AI データセンターで GPU やその他のアクセラレータに供給するために使用される種類の DRAM の需要と収益性は非常に大きいため、メモリの供給が他の用途にそられ、価格が高騰しています。 Counterpoint Research によると、DRAM 価格は今四半期これまでに 80 ～ 90% 上昇しています。

AIハードウェア最大手の企業は、2028年までチップを確保したと述べているが、そうなると、PCや消費者向け機器、その他10億ビットを一時的に保存する必要のあるあらゆるもののメーカーは、供給不足と高騰した価格に対処するために奔走することになる。

エレクトロニクス業界はどのようにしてこの混乱に陥ったのか、そしてさらに重要なことに、どのようにしてこの混乱から抜け出すのか? IEEEスペクトル 経済学者やメモリの専門家に説明を求めた。彼らは、今日の状況は、DRAM 業界の歴史的な好不況サイクルと、前例のない規模の AI ハードウェア インフラストラクチャの構築とが衝突した結果であると述べています。そして、AI分野で何らかの大規模な崩壊が起こらない限り、新しい能力や新しいテクノロジーが需要に見合った供給を実現するには何年もかかるだろう。それでも価格は高止まりする可能性があります。

物語の両端を理解するには、需要と供給の変動の主な原因である高帯域幅メモリ、つまり HBM を知る必要があります。

HBMとは何ですか？

HBM は、3D チップ パッケージング技術を使用して、ムーアの法則の減速を回避しようとする DRAM 業界の試みです。各 HBM チップは、ダイと呼ばれる最大 12 個の薄型 DRAM チップで構成されています。各ダイには、スルー シリコン ビア (TSV) と呼ばれる多数の垂直接続が含まれています。ダイは互いに積み重ねられ、TSV に位置合わせされた微細なはんだボールのアレイによって接続されます。この DRAM タワーは、厚さが約 750 マイクロメートルで、タワーというよりもブルータリストのオフィス街に近いものですが、ベース ダイと呼ばれるものの上に積み重ねられ、メモリ ダイとプロセッサの間でビットをやり取りします。

この複雑なテクノロジーは、GPU またはその他の AI アクセラレータの 1 ミリメートル以内に設置され、2,048 マイクロメートル規模の接続によってリンクされます。 HBM はプロセッサの両側に取り付けられ、GPU とメモリは 1 つのユニットとしてパッケージ化されています。

GPU とのこのような緊密かつ高度に接続された圧迫の背後にある考え方は、いわゆるメモリの壁を打ち破ることです。これは、大規模な言語モデルを GPU で実行するために必要な 1 秒あたりテラバイトのデータを取り込むためのエネルギーと時間の障壁です。メモリ帯域幅は、LLM の実行速度を制限する重要な要素です。

テクノロジーとしての HBM は 10 年以上前から存在しており、DRAM メーカーはその機能の強化に熱心に取り組んできました。

AI モデルのサイズが大きくなるにつれて、GPU に対する HBM の重要性も高まりました。しかし、それには代償が伴います。半分析の推定値 HBM は通常、他のタイプのメモリの 3 倍のコストがかかり、パッケージ化された GPU のコストの 50 パーセント以上を占めます。

メモリチップ不足の原因

メモリおよびストレージ業界のウォッチャーは、DRAM が巨大なブームと壊滅的な不況を伴う非常に周期的な業界であることに同意しています。新しいファブの建設には150億米ドル以上の費用がかかるため、企業は拡張には非常に消極的で、拡張するための現金は好況期にしかない可能性があると、ストレージとメモリの専門家でありCoughlin Associatesの社長であるThomas Coughlin氏は説明する。しかし、このような工場を建設して稼働させるには 18 か月以上かかる場合があり、実際には最初の需要の急増をはるかに超えて新しい生産能力が到着し、市場に氾濫して価格が下落します。

コフリン氏によると、今日のサイクルの起源は、新型コロナウイルス感染症のパンデミックを巡るチップ供給パニックにまで遡るという。サプライチェーンのつまずきを避け、リモートワークへの急速な移行を支援するため、アマゾン、グーグル、マイクロソフトなどのデータセンター大手のハイパースケーラーはメモリとストレージの膨大な在庫を買い占め、価格をつり上げたと同氏は指摘する。

しかしその後、供給がより定期的になり、2022年にはデータセンターの拡張が停滞し、メモリとストレージの価格が急落した。この不況は2023年まで続き、価格が製造コストを下回らないようにするためにサムスンなどのメモリ・ストレージ大手企業が生産を50％削減する結果にさえなった、とコフリン氏は言う。企業は通常、価値を取り戻すためだけに工場をフル稼働で稼働させなければならないため、これはまれでかなり絶望的な動きだった。

2023年後半に回復が始まった後、「すべてのメモリおよびストレージ企業は生産能力を再び増やすことに非常に慎重になった」とコフリン氏は言う。 「したがって、2024年から2025年のほとんどの期間を通じて、新たな生産能力への投資はほとんど、またはまったくありませんでした。」

AIデータセンターブーム

新たな投資の不足は、新しいデータセンターからの需要の大幅な増加と真っ向から衝突しています。データセンターマップによると、現在世界中で約 2,000 の新しいデータセンターが計画中または建設中です。これらがすべて建設されれば、現在約9,000施設ある世界の供給量が20％増加することになる。

現在の増強がこのペースで続けば、企業は 2030 年までに 7 兆ドルを費やし、その大部分である 5 兆 2,000 億ドルが AI に重点を置いたデータセンターに投じられるとマッキンゼーは予測しています。このうち 33 億ドルがサーバー、データ ストレージ、ネットワーク機器に費やされると同社は予測しています。

AI データセンター ブームのこれまでの最大の受益者は、間違いなく GPU メーカーである Nvidia です。同社のデータセンター事業の収益は、2019 年の最終四半期にはわずか 10 億ドルでしたが、2025 年 10 月に終了する四半期には 510 億ドルになりました。この期間にわたって、同社のサーバー GPU は、ますます多くのギガバイトの DRAM を要求するだけでなく、DRAM チップの数も増加しました。最近リリースされた B300 は 8 つの HBM チップを使用しており、それぞれが 12 個の DRAM ダイのスタックです。競合他社の HBM の使用は、Nvidia の使用をほぼ反映しています。たとえば、AMD の MI350 GPU も 8 つの 12 ダイ チップを使用しています。

需要が非常に多いため、DRAM メーカーの収益の一部が HBM から得られる割合が増えています。 SK ハイニックスとサムスンに次ぐ第 3 位のメーカーであるマイクロンは、HBM およびその他のクラウド関連メモリが DRAM 収益の 2023 年の 17% から 2025 年には 50% 近くに達したと報告しました。

マイクロンは、HBMの総市場が2025年の350億ドルから2028年までに1,000億ドルに成長すると予測しているが、これは2024年のDRAM市場全体よりも大きい数字であると、最高経営責任者（CEO）のサンジェイ・メロトラ氏は12月にアナリストに語った。マイクロンが以前予想していたよりも2年早くこの数字に達している。同氏は、業界全体で「予見可能な将来においては、需要が供給を大幅に上回るだろう」と述べた。

将来の DRAM 供給とテクノロジー

Mkecon Insightsのエコノミスト、ミナ・キム氏は、「DRAMの供給問題に対処するには2つの方法があります。イノベーションを利用するか、より多くのファブを建設することです」と説明する。 「DRAMのスケーリングがより困難になるにつれて、業界は高度なパッケージングに目を向けるようになりました…それは、より多くのDRAMを使用するだけです。」

マイクロン、サムスン、SK ハイニックスを合わせるとメモリとストレージ市場の大部分を占めており、3 社すべてが新しいファブと施設を建設中です。しかし、これらは価格の引き下げに大きく貢献するとは考えられません。

ミクロン マイクロンはシンガポールにHBM工場を建設中で、2027年に生産を開始する予定である。また、台湾のPSMCから購入した工場を改修中で、2027年下半期に生産を開始する予定である。先月、マイクロンはニューヨーク州オノンダガ郡にDRAM工場複合施設となる施設の起工を行ったが、完全生産は2030年になる予定だ。

サムスン 2028年に韓国・平沢の新工場で生産を開始する予定。

SKハイニックス はインディアナ州ウェストラファイエットにHBMとパッケージング施設を建設中で、2028年末までに生産を開始する予定で、清州に建設中のHBM工場は2027年に完成する予定だ。

Intel CEO の Lip-Bu Tan 氏は、DRAM 市場に対する自身の感覚について語ります。 先週の Cisco AI サミットで出席者にこう語った。「2028 年まで救済はない」。

これらの拡張は数年間は貢献できないため、供給を増やすには他の要因が必要になるでしょう。グローバル・エレクトロニクス協会（旧IPC）の首席エコノミスト、ショーン・デュブラバック氏は、「既存のDRAMリーダーによる漸進的な容量拡張、高度なパッケージングの歩留まり向上、サプライチェーンの広範な多様化の組み合わせによって救済がもたらされるだろう」と述べている。 「新しいファブはぎりぎりのところでは役に立ちますが、より迅速な利益はプロセス学習から得られ、より良いものになります」 [DRAM] スタッキング効率、そしてメモリサプライヤーと AI チップ設計者間の緊密な調整が可能になります。」

それでは、これらの新しいプラントのいくつかが稼働したら、価格は下がるのでしょうか?賭けないでください。 「一般に経済学者は、価格は上昇するよりもはるかにゆっくりと消極的に下落することに気づいています。特にコンピューティングに対する飽くなき需要を考慮すると、今日の DRAM がこの一般的な観察の例外になる可能性は低いです」とキム氏は言います。

その間、HBM がシリコンのさらに多くの消費者となる可能性のある技術が開発されています。現在のチップでは 12 個のダイのみが使用されていますが、HBM4 の標準では 16 個のスタックされた DRAM ダイに対応できます。 16 に到達するには、チップ スタッキング テクノロジが大きく関係します。シリコン、はんだ、およびサポート材料からなる HBM の「レイヤー ケーキ」を介して熱を伝導することは、より高い帯域幅を得るためにパッケージ内の HBM の位置を変更する上で重要な制限となります。

SKハイニックスは、高度なMR-MUF（マスリフローモールドアンダーフィル）と呼ばれる製造プロセスによる熱伝導の利点を主張しています。さらに言えば、ハイブリッドボンディングと呼ばれる代替チップ積層技術は、ダイ間の垂直距離を実質的にゼロに減らすことで熱伝導を助ける可能性がある。 2024 年、サムスンの研究者は、ハイブリッド ボンディングを使用して 16 層のスタックを製造できることを証明し、20 個のダイも不可能ではないと示唆しました。