Выступление компании SK hynix на конференции Hot Chips посвящено технологиям высокоскоростной памяти и передовым методам корпусирования памяти HBM. На основе представленных материалов специалисты компании подробно рассматривают особенности трехмерной компоновки, методик соединения кристаллов и системной интеграции, которые лежат в основе современной памяти с высокой пропускной способностью. Презентация раскрывает архитектурные принципы построения таких решений, где ключевую роль играют инженерные компромиссы и физические ограничения полупроводников.

Архитектура и эволюция памяти HBM

Компания SK hynix начинает с базового объяснения конструкции: HBM представляет собой трехмерную структуру, состоящую из базового кристалла (base die) и стека кремниевых пластин (core dies), общее число которых в сборке может достигать 16 слоев. Графический процессор и стек памяти размещаются совместно на кремниевом интерпозере в рамках 2.5D-корпуса и осуществляют обмен данными через 1024 линии ввода-вывода (IO), распределенные по 16 каналам, где на каждый ранг приходится по четыре слоя, а в 16-уровневой сборке задействовано четыре ранга. Корректная организация соединения через интерпозер критически важна, поскольку именно в этой зоне память встречается с вычислительным ускорителем.

Главными двигателями прогресса в данной сфере выступают стремление к увеличению пропускной способности, наращиванию емкости и повышению энергоэффективности. Несмотря на более высокую стоимость каждого гигабайта памяти HBM по сравнению с традиционными решениями, в SK hynix утверждают, что массовое внедрение таких чипов экономит физическое пространство, электроэнергию и общие операционные затраты. В качестве иллюстрации приводится интересное сопоставление: 12 посадочных мест для памяти GDDR6 занимают больше места и уступают по емкости и пропускной способности конфигурации из четырех модулей HBM3E. Хотя такое прямое сравнение выглядит несколько необычно на фоне потребительских видеокарт вроде NVIDIA GeForce RTX 5090, оснащенных 32 гигабайтами памяти GDDR7, логика разработчиков строится на плотности размещения ресурсов.

С каждым новым поколением показатели емкости и пропускной способности неуклонно растут. Память HBM2E обеспечивала скорость передачи данных на уровне 460 ГБ/с, HBM3 подняла этот показатель до 717 ГБ/с, HBM3E достигла 1024 ГБ/с, а следующее поколение HBM4 фактически удваивает результат, выдавая 2048 ГБ/с через 2048 линий ввода-вывода. Габариты корпуса также увеличиваются: от базовой площадки размером 10×11 мм до 12,4×11 мм у HBM4. При этом HBM4 задействует еще больше кремниевых сквозных отверстий (TSV) и микровыводов. В спецификациях SK hynix для чипа размером 12,8×11 мм с высотой по оси Z 775 мкм заявлено более 20 тысяч TSV и 16 148 базовых микровыводов. Целевые показатели производительности здесь превышают 2 ТБ/с при приросте энергоэффективности более чем на 40 процентов и улучшении термического сопротивления.

Суммарная емкость стека достигает 48 гигабайт: 12-уровневые сборки уже находятся в серийном производстве, в то время как 16-уровневые проходят этап квалификационных испытаний. Процесс соединения кристаллов друг с другом (die-to-die) предполагает два основных подхода, и в компании подробно разбирают баланс между термокомпрессионным соединением с использованием непроводящей пленки (TC+NCF) и массовым оплавлением с формованным подложечным компаундом (MR+MUF). Метод TC+NCF обеспечивает высокую производительность и низкое тепловое сопротивление, однако он чувствителен к короблению кристаллов. Технология MR+MUF лучше справляется с деформацией тонких чипов, но требует большего термического сопротивления и имеет более узкое технологическое окно заполнения зазоров. Выбор конкретной методики напрямую влияет на итоговый выход годных изделий и тепловые характеристики готового чипа.

Производственный цикл и технологические вызовы сборки

Производственный процесс сборки памяти HBM охватывает полный цикл на уровне кремниевых пластин: от травления кремния и заполнения TSV медью до металлизации на уровне задней стороны пластины (BEOL), утончения пластины, постобработки, разделения на отдельные чипы (сингulation) и финального тестирования. Этап создания проверенных работоспособных многослойных сборок (Known-Good Stacked Die, KGSD) позволяет SK hynix тестировать каждый отдельный кубический модуль памяти еще до его интеграции в системный корпус. Такой подход предотвращает ситуации, когда дефектный компонент занимает дорогое пространство на кремниевом интерпозере.

Формирование сквозных отверстий TSV, создание микровыводов, утончение пластин и послойна укладка чипов представляют собой главные технологические вызовы при выпуске HBM. Инженеры SK hynix выделяют такие проблемные зоны, как технологическая однородность процесса, уровень выхода годных и риск загрязнения меди на этапе работы с TSV и микровыводами. Дополнительную сложность при утончении пластин и сборке стеков с применением компаунда представляют аккуратное обращение с ультратонкими кристаллами и строгий контроль их коробления.

Появление 16-уровневой памяти HBM3E емкостью 48 ГБ на один модуль стало важной вехой в развитии корпусирования, поскольку добавление двух дополнительных кремниевых пластин поверх прежней 12-уровневой сборки требовало удержания конструкции в рамках прежнего бюджета высоты по оси Z. Чтобы сохранить качество заполнения микрозазоров, инженерам пришлось примерно вдвое уменьшить толщину чипов, высоту зазоров и шаг между выводами. По мере дальнейшего увеличения высоты стеков до 20 и более кристаллов именно отвод тепла становится главным ограничивающим фактором. В презентации приводится сравнение относительного термического сопротивления для различных вариантов соединения и материальных стеков — от базового формованного компаунда до усовершенствованного MR-MUF и гибридного бондинга, где каждый последующий шаг снижает тепловое сопротивление и одновременно позволяет наращивать количество слоев в сборке, меняя сам подход к компоновке микросхем.

Технологии гибридного соединения и тепловые решения

Процесс монтажа компонентов выполняется при комнатной температуре, после чего термообработка при температуре выше 200 градусов Цельсия формирует соединения между диоксидом кремния и медью, а также между медью и медью. Именно этот механизм позволяет стеку полностью избавиться от традиционных микровыводов и полимерного заполнения зазоров, характерных для устаревших методов. Компания SK hynix рассматривает технологию гибридного соединения как ключевой путь к созданию стеков из 20 и более кристаллов, расширению полосы пропускания при более узком шаге выводов и повышении эффективности теплоотвода за счет лучшей проводимости. При фиксированной высоте по оси Z гибридное соединение позволяет использовать более толстую основу кристалла и уменьшает шаг выводов менее чем до 18 микрометров, с чем уже не справляется традиционная технология подгонки с массовым оплавлением и заполнением зазоров (MR-MUF).

В ходе презентации разработчики сравнили собственную разработку с альтернативными схемами охлаждения от конкурентов. Решение i-HBM интегрирует специализированный электроизоляционный компонент с высокой теплопроводностью прямо в зону интерфейса физического уровня (PHY) между горячими кристаллами, формируя выделенный путь для отвода тепла. Это позволяет снизить тепловое сопротивление более чем на 30 процентов. В то же время подход Samsung HPB предполагает размещение памяти DRAM в непосредственной близости от процессора с использованием медного теплораспределителя, а компания Micron делает упор на оптимизацию схемотехники базового кристалла для достижения максимальной энергоэффективности.

Перспективы роста пропускной способности и энергоэффективности

Оценивая перспективы развития за пределами стандарта HBM4, специалисты компании выделяют два основных вектора дальнейшей работы. Первый путь заключается в увеличении пропускной способности за счет расширения линий ввода-вывода данных и наращивания скорости работы каждого отдельного канала. Второй вектор направлен на повышение энергоэффективности посредством применения логического базового кристалла и увеличенного количества кремниевых сквозных отверстий (TSV). Прирост пропускной способности обеспечивается за счет увеличения числа интерфейсов ввода-вывода и роста их тактовой частоты при активной интеграции логических техпроцессов. Наглядные графики демонстрируют увеличение пропускной способности на один модуль: от 0,5 Тбайт/с в поколении HBM2E до 2,0 Тбайт/с в HBM4, причем переход от HBM3E к HBM4 удваивает скорость ввода-вывода, а количество соответствующих линий превышает тысячу.

Что касается энергопотребления, инженеры полагаются на оптимизированный техпроцесс логического производства и распределенные по всему изделию силовые TSV, что позволяет существенно улучшить сеть доставки питания (PDN). Представители компании подчеркивают 75-процентное улучшение характеристик PDN в последних поколениях памяти благодаря непрерывному масштабированию подходов к низковольтной логике. Особое внимание уделяется системному уровню интеграции: если раньше память монтировалась на завершающем этапе сборки вычислительной системы, то в современных передовых технологиях корпусирования для систем искусственного интеллекта память HBM устанавливается в первую очередь. Из-за этого кремниевые сборки и интерпозер подвергаются гораздо более серьезным нагрузкам на надежность еще до завершения сборки всего корпуса.

Иерархия корпусирования и итоговые выводы

В компании сопоставили основные методы продвинутого корпусирования, включая CoWoS-S, CoWoS-L и EMIB, оценив уровень механического и теплового стресса, который каждый из вариантов создает для стеков памяти и кремниевого интерпозера. Выбор типа упаковки напрямую определяет объем нагрузок, которые должна выдерживать сборка. Существует трехуровневая иерархия методов корпусирования: от конфигурации «кристалл на кристалле» и «кристалл на кристалле поверх интерпозера» до уровня «корпус на корпус» на системной плате. Размещение памяти HBM на вершине этой иерархии наглядно объясняет, почему она относится к наиболее требовательным категориям и почему производитель уделяет столь пристальное внимание процессам пространственного стекирования и соединения.

Заключение

Выступление представителей SK hynix на конференции Hot Chips наглядно продемонстрировало, что корпусирование памяти HBM окончательно превратилось в задачу комплексного сопроектирования, где тесно переплетены вопросы физического соединения, термодинамики и механических напряжений интерпозера. Безусловно, хотелось бы услышать больше подробностей о нестандартных решениях на заказ или о перспективных разработках уровня HBM5, однако представленный объем информации дает исчерпывающее представление о текущем технологическом векторе индустрии, и профильные специалисты рассчитывают получить новые данные в ближайшем будущем.

Источник: servethehome.com