三星HBM散热专利US12653043：解锁下一代AI芯片的热管理突破

💡 摘要：三星专利US12653043B2（2026年6月9日获批）在高带宽内存（HBM）叠堆封装内引入热路径块（HPB），在多层裸片柱中热量最易积聚的区域创建专用导热通道。全球HBM市场预计在2026年达到546亿美元，AI加速器正向16层叠堆迈进，解决HBM内部的热陷阱是从当今HBM4迈向下一代AI基础设施所必须突破的关键约束。

HBM3665 GB/s

HBM3E1,330 GB/s

HBM42,000+ GB/s

三星这项专利究竟保护了什么

专利US12653043B2，题为「Semiconductor package including heat dissipation structure」（包含散热结构的半导体封装），由美国专利商标局于2026年6月9日授权给三星电子。该专利解决了高密度芯片叠堆中一个具体而顽固的问题：热量被困于垂直裸片柱深处，缺乏有效的逃散路径。专利描述了一种散热结构，在叠堆存储封装中的主要热源正上方引入一条新的导热通路，使热量能够向外传导，而非在裸片之间积聚。

核心创新是热路径块（HPB）：一层高导热率材料，插入D2D PHY接口处。D2D PHY（裸片间物理层）是连接HBM叠堆中相邻裸片的电路，承载着封装内最大的电流流量，因此也是最热的区域。三星的HPB将热量从这一层通过直接导热通路引出，绕过通常包围叠堆的低导热率聚合物基板。铜基HPB（导热率约400 W/m·K，比聚合物材料高500至1,000倍）首先在三星Exynos 2600移动处理器中得到验证，实现了裸片级别热阻降低16%的效果。面向HBM应用，三星正将其调整为硅基HPB架构，集成到完整的存储叠堆设计中。

16%的降幅听起来不大，但当你理解16层叠堆中热预算有多紧张时，这一数字的意义就截然不同了。这正是接下来要分析的关键问题。

为何热量在高层存储叠堆中会引发危机

高带宽内存通过垂直叠堆多层DRAM裸片来工作，层间通过硅通孔（TSV）互联。每增加一层都带来更多存储容量和带宽，但也带来更多热量。当前主流标准HBM3E采用8层或12层配置，每叠堆提供高达1.33 TB/s的带宽。即将推出的HBM4标准目标是16层配置，每叠堆超过2 TB/s。

热问题具有几何属性：叠堆中间的裸片无处散热。最顶层裸片有一条短路径通往封装顶部的散热器；最底层裸片靠近内插板。中间裸片被夹在中间，每层的D2D PHY电路都在产生热量。在8层叠堆中，这种温度梯度尚可管理。在16层叠堆中，内外层裸片之间的温差在持续负载下可超过15-20°C，导致存储错误、性能节流和长期可靠性退化。

对于AI训练工作负载来说，HBM在数小时内全带宽运行，这绝非理论上的隐患。英伟达H100和H200 GPU分别使用HBM3和HBM3E；Blackwell B200架构依赖HBM3E为每块GPU提供高达8 TB/s的聚合内存带宽。每一代AI加速器都将HBM的热极限推得更远。三星的HPB是对这一约束的一个回应，但两大主要竞争对手选择了截然不同的路径。

三家公司，三种热管理策略

HBM热问题吸引了全球三大HBM供应商各自独特的工程解决方案。

三星（US12653043B2）：HPB在D2D PHY区域部署导热结构，实现16%的热阻降低。三星首先在移动芯片封装中验证了这一方案，目前正为HBM叠堆开发硅基版本，目标是2028年前后的HBM5量产。

SK海力士占当前HBM市场约62%的份额，采用其所称的集成冷却元件（ICE）：导热但电绝缘的硅基材料，直接嵌入存储裸片之间的D2D PHY层。SK海力士报告该方案可实现30%的热阻降低，接近三星验证数据的两倍。SK海力士计划在HBM5中采用ICE。

美光采用更激进的方案：TSV沟槽冷却，即在标准TSV旁边刻蚀微小沟槽并在内部循环冷却液。美光持有一项2025年的美国专利申请，描述了电无源冷却TSV。美光的方案集成难度最高，但可能为极高叠堆提供最深层的热改善。

特性	三星HPB	SK海力士ICEs	美光TSV沟槽
专利依据	US12653043B2（已授权）	申请阶段	美国申请2025（待审）
热阻降低	16%	30%	研发中
目标热区	D2D PHY区域	D2D PHY区域	TSV层（垂直）
材料方案	铜/硅HPB	硅基ICE	无源TSV+液冷通道
首次验证	Exynos 2600（移动端）	目标HBM5	目标HBM5
目标产品	HBM5（约2028年）	HBM5	HBM5

这三种方案正在技术和知识产权两个维度上展开竞争。在HBM热管理领域获得最广泛专利翻译覆盖的公司，将在HBM5供应链中拥有重大影响力。

这项专利与哪些领域相连，能够解锁什么

三星的HPB处于材料科学、封装架构和AI硬件需求的交汇点。其背后的物理原理简单明了：铜的400 W/m·K导热率是已知常量。专利的贡献在于具体的架构排列：在D2D PHY处插入HPB，在保持电气完整性的同时创建新的热出口。

专利能够解锁的内容更具决定性。如果三星能够证明16层HBM5叠堆在HPB架构下保持热稳定，就能消除HBM4与HBM5之间的主要可靠性障碍。HBM5预计每叠堆提供4 TB/s或更高带宽，约为HBM4的两倍。这将AI加速器可用的存储吞吐量翻倍，对于目前受存储带宽限制的大语言模型训练、多模态推理和科学仿真工作负载而言意义重大。

与更广泛创新循环的关联是直接的：AI模型需求推高存储带宽要求，带宽要求驱动HBM叠堆高度，叠堆高度产生热陷阱，热陷阱催生对US12653043B2此类解决方案的需求，而解决热问题则使下一代AI成为可能。

谁持有专利，谁受到威胁

据Patsnap数据，三星以2,214个专利族位居HBM整体专利格局首位，领先台积电（1,752族）和英特尔（1,001族），美光拥有553族。但原始专利数量并非全部答案。关键维度在于哪家公司在特定技术领域占据阻断性地位，16层叠堆热管理正是这样的领域之一。

US12653043B2是一项美国专利。为在全球范围内保护HPB架构，三星需要在韩国（KR）、欧洲（EPO）、日本（JP）和中国（CN）提交平行申请，每个司法管辖区都需要经过正式验证的权利要求专利翻译。EPO申请中权利要求的技术翻译若出现偏差，可能在欧洲诉讼程序中导致专利保护范围被收窄或无效。这正是知识产权翻译在实践中发挥关键作用的地方：专利的法律保护范围，仅与其在各司法管辖区被精确翻译的权利要求一样宽广。

受三星HPB专利影响最大的公司是SK海力士和美光，两者都在以各自的热管理方案竞逐HBM5。如果三星的权利要求足够宽泛，可能迫使竞争对手绕过设计或支付许可费。

专利核心信息一览

字段	详情
专利号	US12653043B2
名称	Semiconductor package including heat dissipation structure
权利人	三星电子（Samsung Electronics Co., Ltd.）
司法管辖	美国
授权日期	2026年6月9日
CPC分类	H10W 70/611, H10W 70/685
核心创新	D2D PHY接口处的热路径块（HPB）
已验证性能	热阻降低16%（Exynos 2600）
目标应用	HBM5 16层叠堆（约2028年）

这对我们意味着什么？

三星热路径块专利是一项具有多层影响的结构创新。在最直接的层面，它解决了限制HBM叠堆高度的物理约束，进而限制了AI加速器可用的存储带宽。在战略层面，它是三星通过率先推出可靠的16层HBM5架构，从SK海力士手中夺回HBM市场份额的核心筹码。

该专利的商业价值不仅取决于技术本身。专利保护只有在每个司法管辖区准确申请和专利翻译后才能跨境生效。随着三星、SK海力士和美光纷纷在HBM5量产前抢先锁定各自的热管理方案，HBM相关专利在韩国、欧洲、日本和中国专利局的申请量正在急剧攀升，每一份申请都需要精确的技术翻译方可依法执行。

对于关注AI基础设施建设的人而言，结论很简单：高层存储叠堆的热物理学并非技术脚注，而是从当今HBM4通往下一代AI所需4 TB/s存储带宽这条道路上的限速步骤。三星2026年6月的这项专利，是对该问题的一个答案，而随之而来的知识产权竞赛值得持续关注。

常见问题

来源： ChipClaims - HBM叠堆封装专利组合（2026） | 三星半导体 - HPB技术博客（2026） | TrendForce - HBM5散热方案对比（2026） | Patsnap - HBM专利格局（2026） | Presenc AI - HBM市场份额2026

关于作者

Dao Huy（Lucas）是一位拥有7年以上经验的专业译者，专注于技术翻译、专利翻译和知识产权文件的英越、中越、法越翻译。其业务核心集中于半导体、电子和先进材料领域的专利，正是在这些领域，权利要求的一处偏差可能决定知识产权在某一司法管辖区是否具有可执行性。他还为越南语市场提供软件和技术产品本地化服务。

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