洞见featured

硅通孔(TSV)技术为DRAM创造新价值,持续提升存储系统性能和容量

By 2019年11月22日 十一月 26th, 2019 No Comments

随着近来人工智能(Artificial Intelligence, 简称 AI)、机器学习、高性能计算、图形和网络应用的快速发展和广泛扩展,对于高性能存储器需求的也日益增长。然而,传统的DRAM主存储器已经不足以满足此类系统要求。另一方面,数据中心服务器应用也对容量提出了更高的要求。传统上,通过增加每个插槽的存储通道数量并采用更高密度的DRAM双列直插式内存模块(Dual-Inline-Memory-Modules, 简称 DIMM)来扩展内存子系统的容量。然而,对于一些应用程序(例如内存数据库)来说,即便使用最先进的16Gb DDR4 DRAM,也无法满足它们对系统存储容量的需求。

硅通孔 (Through Silicon Via, 简称 TSV)已经成为一种实现存储设备容量和带宽扩展的有效基础技术。这是一种在整个硅晶圆厚度上打孔的技术,从而在芯片正面和背面之间形成数千个垂直互连,反之亦然。在早期,TSV技术仅被视为一种用于取代引线键合技术的封装技术。 但是,在早期 ,这种技术已经成为一种提升DRAM性能和密度的重要手段。如今,DRAM行业中有两个主要案例,已经成功生产了TSV,克服容量和带宽扩展方面的限制。它们分别是3D-TSV DRAM和高带宽存储器(High Bandwidth Memory, 简称 HBM)。

下载图片

除具有线焊管芯堆叠的传统双芯片封装(Dual-Die-Packages, 简称 DDP)工艺之外,128GB和256GB DIMM(基于16Gb 2rank DIMMs 的 2段 和 4段 X4 DRAMs)等高密度存储器也逐渐采用3D-TSV DRAM。在3D-TSV DRAM中,2个或4个DRAMdie彼此堆叠,只有最底部的die能向外连接到存储控制器。其余管芯则通过内部提供输入/输出(I/O)负载隔离的大量TSV实现互连。与DDP结构相比,这种结构可通过I/O负载去耦来提升引脚速率,并通过消除堆叠芯片上不必要的重复电路组件来降低功耗。

下载图片

另一方面,HBM主要用于弥补片上系统(System on Chip, 简称 SoC)高带宽需求与主存储器最大带宽供应能力之间的带宽缺口。例如,在AI应用中,每个SoC的带宽需求(尤其是在培训应用中)可能都会超过几TB/s,但常规主存储器无法满足这个要求。具有3200Mbps DDR4 DIMM的单个主存储器通道只能提供25.6GB/s的带宽。即使是具有8个存储器通道的最先进的CPU平台,其速度也只能达到204.8GB/s。另一方面,围绕单个SoC的4个HBM2堆叠可提供大于1TB/s的带宽,因而能够消除它们的带宽差距。根据不同的应用程序,HBM既可以单独用作缓存,也可以用作两层存储中的第一层。

HBM是一种封装存储器,可通过同一封装内的硅中介层与SoC集成在一起。通过这种方法,便可以克服传统片外封装存在的数据I/O封装引脚限制的最大数量。其中4段或8段高堆栈8Gbdie和1024数据引脚(pin)组成,每个引脚的运行速度为1.6~2.4Gbps。已经部署在实际产品中。因此,每个HBM堆栈的密度可达到4或8GB,而带宽则可达到204〜307GB/s。

下载图片

SK海力士一直致力于在HBM和高密度3D-TSV DRAM产品方面保持行业领先地位。最近,SK hynix宣布成功开发了HBM2E器件,这是HBM2的扩展版本,其密度高达16GB,每个堆栈的带宽为460GB/s。通过将DRAMdie密度增加到16Gb,并在1.2V电源电压下,在1024个数据IO上实现每引脚速度3.6Gbps的速度,使之成为可能。SK海力士也正在扩大128〜256GB 3D-TSV DIMM的阵容,以满足其客户对更高密度DIMM的需求。

TSV技术现在已经达到一定程度的成熟,能够构建具有数千个TSV的最新产品,例如HBM2E。然而,在降低TSV间距1/直径/长径比2和die厚度的同时,保持较高的组装成品良率将成为未来面临的更大挑战,也是未来设备性能和容量持续提升的关键所在。这样的改进将允许减少TSV负载,减少TSV相对管芯尺寸部分以及将堆叠数量扩展到12段以上,同时仍保持相同的总物理堆叠高度。通过不断创新TSV产品和技术,SK海力士将继续致力于将自己定位在存储技术领导地位的最前沿。

 

 

1两个孔之间的距离
2TSV的高度与直径之比

姜郁成撰写

Vice President / Head of DRAM Product Planning at SK海力士

// // wechat qr 현재 URL 로 변경 // https://github.com/mkdynamic/jquery-popupwindow /*! * Display popup window. * * Requires: jQuery v1.3.2 */ // weibo show