Об идее создания трехмерной памяти говорят по крайней мере уже несколько лет, однако серийные 3D DRAM на рынок вышли совсем недавно. Основная сложность связана с соединением слоев ячеек памяти. В настоящее время эта задача выполняется с помощью изготовления сквозных каналов, о чем речь и пойдет ниже.

Технология

Модуль HBМ содержит стек из четырёх кристаллов DRAM с интерфейсом DDR и контроллер памяти. Между собой кристаллы в стеке соединяются с помощью контактных групп u-Bump, которые являются продолжением сквозных соединений в кремниевой подложке (TSV).

Межсоединения TSV представляют собой вертикальные переходные отверстия в кремниевой подложке, заполненные токопроводящим материалом, которые обеспечивают электрическое соединение между микросхемами, расположенными друг над другом

Соединения TSV обеспечивают максимально компактное решение, поскольку отпадает необходимость в проводных связях с вышележащими кристаллами. Во-вторых, технология TSV допускает размещение стека памяти непосредственно на центральном процессоре или на графическом процессоре (как вариант, стек можно расположить на одной подложке с процессором – это так называемая 2,5D упаковка). В «чистой» 3D-упаковке TSV-металлизация выполнена внутри процессора, стек памяти подключается напрямую через выносную контактную группу.

Структура и основные характеристики кристалла НВМ

Характеристики

Главное преимущество HBM заключается в том, что эта память использует простой логический интерфейс, и она располагается максимально близко к процессору. Благодаря этому встроенная в HBM логика работает с ощутимо меньшим потреблением, а в целом соотношение пропускной способности на ватт у памяти HBM оказывается в три раза меньше, чем в случае использования памяти типа GDDR5.

Сравнение пропускной способности и мощности потребления НВМ и GDDR5

Как видно на иллюстрации, при организации обмена данными на уровне 512 Гбайт/с с использованием микросхем GDDR5 потребление набора составит 80 Вт, тогда как четыре микросхемы (четыре стека) HBM с той же скоростью обмена будут потреблять менее 30 Вт. Разница почти в три раза.

Сборка HBM DRAM имеет 1024 линий ввода-вывода с пропускной способностью 1 Гбит/с каждая. Общая пропускная способность сборки составляет более 128 Гбайт/с.

Сравнение классической ячейки DRAM и многослойной памяти HBM

Отметим, что сдерживающим фактором для широкого распространения HBM DRAM является высокая себестоимость решения. Это не только сложность изготовления кристаллов со сквозной металлизацией и последующая упаковка стека с контроллером памяти, но и добавленная стоимость в виде контроллера в составе каждой микросхемы и вдобавок цена базовой соединительной подложки.

Рынок

Ни одна из последних крупных конференций не прошла без демонстрации образцов памяти HBM DRAM компании SK Hynix. Она была показана на конференции ISSCC 2014, на конференции GPU Technology Conference 2014 и на весенней сессии IDF 2014.

Серийный выпуск сборок HBM 8 Гбит (четыре кристалла по 2 Гбит) компания SK Hynix начнёт во второй половине года, а в 2016 году начнется производство сборок 64 Гбит (8 кристаллов по 8 Гбит).

Также о своем присутствии на рынке HBM заявила компания Micron, которая уже выпустила одно поколение НMС-памяти и работает над вторым.

План использования технологии TSV в ближайшие годы

Широкополосную память планируют использовать в своей продукции такие компании, как NVIDIA, AMD, GlobalFoundries, Open Silicon, Amkor и Intel.

HBM DRAM SK Hynix

Модули первого поколения памяти HBM DRAM компании SK Hynix будут содержать четыре кристалла DRAM 2 Гбит.

Структура кристалла HBM DRAM SK Hynix

По центру кристалла расположена зона со сквозными TSV-соединениями. Всего таких соединений-каналов 1024, хотя контроллер памяти, расположенный на пятом слое, имеет 1408 контактов. Блок внешнего сигнального интерфейса расположен на кристалле контроллера со стороны монтажа процессора, чтобы длина внешних соединений была минимальна.

Память SK Hynix сконфигурирована таким образом, что к каждому кристаллу имеют доступ два канала котроллера, что обеспечивает разрядность 256 бит (минимальная градация при обращении к памяти составляет 32 байта). Каждый из 8 каналов при этом имеет доступ исключительно к своим банкам, всего их 8 штук на канал. Каждый из банков, в свою очередь, разбит на два суббанка ёмкостью 64 Мбит.

Логическая структура HBM DRAM SK Hynix

В блоке логики предусмотрены механизмы для самотестирования ячеек памяти и линий интерфейса с возможностью восстанавливать или замещать испорченные ячейки.

Также отметим наличие двойного командного интерфейса для обращения к банкам памяти, что позволяет одновременно выполнять команды CAS и RAS по адресации к строкам и столбцам, а также независимо обновлять содержимое ячеек памяти в банках.

Двойной командный интерфейс

Альтернатива

Компания SK Hynix не одна может похвастаться готовыми модулями. Компания Micron работает уже над вторым поколением многослойной гибридной памяти (HMC – Hybrid Memory Cube) с максимальной скоростью 30 Гбит/с на каждую линию интерфейса. Это вдвое больше, чем в первой версии HMC. Данный тип памяти, как мы говорили в самом начале, является частным случаем технологии НВМ.

Кристалл HМC

В качестве возможной альтернативы HBM DRAM рассматривается модульная сборка GDDR5. Это ещё один новый стандарт, который носит рабочее название GDDR5M (модуль памяти GDDR5). Планируется, что память GDDR5M появится в 2015 году в составе видеокарт и будет использована в качестве оперативной памяти в ноутбуках и настольных компьютерах.

Еще одна альтернатива – память с расширенным интерфейсом Wide I/O и Wide I/O 2. Она может использоваться преимущественно в мобильных устройствах, тогда как память HBM – в суперкомпьютерах, видеокартах и в сетевом оборудовании.

Сравнение характеристик последних стандартов памяти

Память Wide I/O 2 планируется выпускать сразу в одном стеке с прикладным процессором в виде TSV 3D-упаковки, тогда как память HBM DRAM на первых порах будет компоноваться с CPU или GPU в виде 2,5D-упаковки. Это значительно ускорит появление решений NVIDIA и AMD с использованием памяти HBM DRAM.

Заключение

Многослойные, или объемные, кристаллы – ключ к повышению быстродействия микросхем памяти. Главной сложностью является организация межслойных соединений. Мы рассмотрели вариант решения данной задачи с помощью сквозных каналов, пронизывающих кристалл. Хотя соответствующий стандарт пока находится в стадии разработки, опытные образцы кристаллов, в которых реализована данная технология, уже выходят на рынок. Ожидается, что уже в текущем году будет начат серийный выпуск модулей HBM SK Hynix емкостью 8 Гбит.   

Помимо высокого быстродействия объемные модули памяти отличаются низким потреблением, что является существенным фактором для портативных устройств с питанием от батареи.