Японцы в четыре раза ускорили память HBM — они просто выбросили из чипов «лишние» контакты

Ученые Токийского технологического института представили вариант стековой оперативной памяти, который в четыре раза быстрее памяти HBM2E и при этом потребляет в пять раз меньше энергии. Новый вариант памяти назвали Bumpless Build Cube 3D (BBCube) за отсутствие в его основе традиционных массивов шариковых контактов для послойной пайки кристаллов.

Источник изображений: Tokyo Institute of Technology

Решение было представлено на симпозиуме VLSI IEEE 2023 в июне 2023 года. Японские исследователи не просто предложили концепцию, они представили детальное описание техпроцесса для изготовления такой памяти.

Память HBM, как известно, помогает обойти ряд ограничений на работу с блоком ОЗУ специализированного, центрального и графического процессора. Это ограничения на доступный процессору объём оперативной памяти, что обходит стековая архитектура HBM, а также ограничения на пропускную способность, что тоже решается стеком и структурной организацией HBM.

В то же время современный подход к сборке стеков HBM накладывает свои ограничения на возможности этой памяти. Каждый слой (кристалл DRAM) в стеке нельзя сделать тоньше определённой величины и нельзя увеличить количество межслойных контактов-шариков выше определённого значения. В противном случае это грозит механическими повреждениями и коротким замыканием. Проще говоря, увеличивает уровень брака, что никому не нужно.

Японцы предложили выбросить из техпроцесса сборки стека DRAM шарики-контакты. Это даст целый ряд преимуществ: кристаллы станут тоньше, поскольку уменьшатся механические напряжения в слоях, линии сквозных соединений TSVs станут короче (это позволит чипам лучше охлаждаться за счёт более высокой плотности TSVs на объём кристаллов — это будут своего рода тепловые трубки), стеки будут укрупняться, что позволит увеличить объём отдельных модулей до 64 Гбайт при использовании 16-Гбит кристаллов (в теории допустимо собирать до 40 кристаллов в стеке).

Профессор Такаюки Охба (Takayuki Ohba), руководитель исследовательской группы, сказал: «BBCube 3D имеет потенциал для достижения пропускной способности в 1,6 терабайт в секунду, что в 30 раз выше, чем у DDR5 и в четыре раза выше, чем у HBM2E».

Проблему взаимных помех в сильно уплотнённых линиях TSVs-соединений предложено решить за счёт управления фазами сигналов в соседних линиях. Управляющий сигнал в определённой линии ввода-вывода никогда не возникнет, пока активны соседние линии.

Охба добавил: «Благодаря низкому тепловому сопротивлению и низкому импедансу BBCube, проблемы терморегулирования и питания, характерные для 3D-интеграции, могут быть сняты. В результате, предложенная технология может достичь потрясающей пропускной способности с энергией доступа к битам, которая составит 1/20 и 1/5 от DDR5 и HBM2E, соответственно».