又一内存技术获突破！内存容量全靠“堆”出来

2023-07-07 17:36:13 来源：贤集网小 中

(资料图片)

来自东京工业大学的科研团队近日研发出可堆叠内存，其传输速度是 HBM2E 内存的 4 倍，功耗仅为五分之一。科研团队将其命名为 BBCube，最大的亮点在于去除了传统内存的逐层焊接晶体布局。科研团队在 2023 年 6 月举行的 VLSI IEEE Symposium 2023 大会上得到了同行论证，不仅提出了这一新概念，还详细描述了生产这种存储器的技术流程。

生产 HBM 内存的现有方法限制了其功能，堆叠中的每一层（DRAM 芯片）不能制造得比特定规格更薄，并且层之间的球接触（ball contacts）数量不能增加超过特定值，否则存在机械损坏和短路的风险。科研团队提议在 DRAM 封装过程中去除球接触，可以让芯片变得更薄，降低每一层的机械应力，缩短 TSV 的过孔线。研究团队负责人 Takayuki Ohba 教授表示：“BBCube 3D 有潜力实现每秒 1.6 TB 的吞吐量，比 DDR5 快 30 倍，比 HBM2E 快四倍。”SK海力士已开发12层堆叠HBM3 DRAM4月20日，SK海力士宣布，再次超越了现有最高性能DRAM（内存）——HBM3*的技术界限，全球首次实现垂直堆叠12个单品DRAM芯片，成功开发出最高容量24GB（Gigabyte，千兆字节）**的HBM3 DRAM新产品，并正在接受客户公司的性能验证。SK海力士强调，“公司继去年6月全球首次量产HBM3 DRAM后，又成功开发出容量提升50%的24GB套装产品。最近随着人工智能聊天机器人（AI Chatbot）产业的发展，高端存储器需求也随之增长，公司将从今年下半年起将其推向市场，以满足市场需求。”SK海力士表示，通过先进MR-MUF技术加强了工艺效率和产品性能的稳定性，又利用TSV技术将12个比现有芯片薄40%的单品DRAM芯片垂直堆叠，实现了与16GB产品相同的高度。SK海力士于2013年在世界上首次开发的HBM DRAM是实现需要高性能计算的生成式AI所必要的存储器半导体产品，因此在受到业界的高度关注。最新规格的HBM3 DRAM被评价为能够快速处理庞大数据的首选产品，从而大型科技公司的需求也在逐渐扩大。

公司已向数多全球客户公司提供了24GB HBM3 DRAM样品正在进行性能验证，据悉客户对此产品抱有极大的期待。自从2.5D/3D封装、Chiplet、异构集成等技术出现以来，CPU、GPU和内存之间的界限就已经变得逐渐模糊。单个SoC究竟集成了哪些逻辑单元和存储单元，全凭借厂商自己的设计路线。这样的设计其实为单芯片的能效比带来了一轮新的攀升，但也极大地增加了开发难度。即便如此，还是有不少厂商在不遗余力地朝这个方向发展，最典型的莫过于AMD。AMD的存储堆叠之路要说玩堆叠存储，AMD确实是走得最靠前的一位，例如AMD如今在消费级和数据中心级别CPU上逐渐使用的3D V-Cache技术，就是直接将SRAM缓存堆叠至CPU上。将在今年正式落地的第四代EPYC服务器处理器，就采用了13个5nm/6nm Chiplet混用的方案，最高将L3缓存堆叠至了可怕的384MB。在消费端，AMD的Ryzen 7 5800X3D同样也以惊人的姿态出世，以超大缓存带来了极大的游戏性能提升。即将正式发售的Ryzen 9 7950X3D也打出了128MB三级缓存的夸张参数，这些产品的出现可谓打破了过去CPU厂商拼时钟频率、拼核心数的僵局，让消费者真切地感受到了额外的体验提升。GPU也不例外，虽然AMD如今的消费级GPU基本已经放弃了HBM堆叠方案，但是在AMD的数据中心GPU，例如Instinct MI250X，却依然靠着堆叠做到了128GB的HBM2e显存，做到了3276.8GB/s的峰值内存带宽。而下一代MI300，AMD则选择了转向APU方案，将CPU、GPU和HBM全部整合在一起，以新的架构冲击Exascale级的AI世代。其实这也是AMD收购Xilinx最大的收获之一，早在十多年前Xilinx的3DIC技术也已经为多Die堆叠打下了基础。在收购Xilinx之际，AMD也提到这次交易会扩张AMD在die堆叠、封装、Chiplet和互联技术上的开发能力。在完成Xilinx的收购后，也可以看出AMD在架构上的创新有了很大的飞跃。在近期的ISSCC 2023上，AMD CEO苏姿丰透露了他们的下一步野心，那就是直接将DRAM堆叠至CPU上。这里的堆叠并非硅中介层互联、存储单元垂直堆叠在一起的2.5D封装方案，也就是如今常见的HBM统一内存方案，AMD提出的是直接将计算单元与存储单元垂直堆叠在一起的3D混合键封装方案。芯片堆叠前景传统的芯片结构中，电路元件只能在一个平面上被集成，这限制了芯片容量的发展。于是，科学家们开始探索如何将不同功能层叠起来，以扩大芯片的容量和功能。这就引入了多层芯片结构的概念。

多层芯片结构的核心技术之一就是三维封装技术。通过将芯片的不同层分别加工制作，并使用极其精细的堆叠技术，使得多个层次的芯片得以紧密堆叠在一起。这种堆叠结构不仅节省了空间，还提高了芯片的集成度，进而提高了整体性能。例如，在3D-NAND闪存中，多层芯片结构被用于实现更大的存储容量，并且能够提供更高的数据传输速度。另一个关键技术是通过嵌入式硅通孔（TSV）来连接不同层次的芯片。TSV采用纵向穿越结构，通过导线将不同层的芯片相互连接起来。这种连接方式不仅提供了更高的信号带宽，还减少了晶圆之间的电阻和电感，进而提高了芯片的整体性能。多层芯片结构的优势显而易见。首先，它通过增加芯片层次和连接方式，实现了更高的芯片集成度和功能密度。其次，多层芯片的堆叠结构减小了芯片的体积，使得设备变得更加轻薄便携。此外，多层芯片还提供了更高的性能和效率，使得电子设备在处理速度和能耗方面取得了质的飞跃。然而，随着多层芯片的崛起，也面临着一些挑战。其中之一就是热量的管理，因为在紧密堆叠的芯片中，热量散发变得更加困难。因此，科学家们正在不断寻找解决方案，以保持芯片在高性能工作时的稳定性和可靠性。

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