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首款高頻寬記憶體內部架構揭密

上網時間: 2015年09月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:高頻寬記憶體  HBM  DDR4  SDRAM  TSV 

作者:Kevin Gibb,TechInsights產品經理

韓國記憶體晶片製造商海力士(SK Hynix)在2014年初發佈其高頻寬記憶體(HBM)產品,並宣稱是全球首款採用2Gb、20nm節點製造的8Gb DDR4 SDRAM模組。最近,該公司在歷經將近一年的時間後,總算讓這款HBM模組出現在下游產品中——AMD Radeon 390X Fury繪圖卡。

AMD近日推出其Radeon R9 Fury X系列繪圖處理單元(GPU),配備了海力士的4GB高頻寬HBM。在TechInsights的實驗室中剛好就有幾款這樣的Fury X繪圖卡,其GPU如圖1所示。在該模組正中央看到的是GPU晶片,四周圍繞著4個海力士HBM記憶體模組。該GPU與HBM模組採用覆晶封裝連接至聯電(UMC)製造的中介層,再連接至層疊的基板。中間這一大塊GPU的尺寸為23mm x 27mm,據信是採用了台積電(TSMC)的28nm高介電金屬閘極(HKMG)製程製造。

該HBM利用矽穿孔(TSV)技術與中介層,實現比GDDR5 DRAM更高的頻寬、更佳電源效率以及更小的表面積。利用TSV方式連接DRAM晶片與基礎邏輯晶片,這對DRAM來說還是相當新的技術。三星(Samsung)的20nm DDR4雖然也利用TSV連接4個堆疊DRAM晶片,但它並不是寬I/O(Wide I/O)元件,也不包含基礎邏輯晶片。海力士的HBM擁有1,024位元寬的匯流排,可實現128GB/s的性能,並足以顯示它是Wide I/O。該元件利用基礎邏輯晶片作為介面,連接4個DRAM晶片堆疊以及一個支援HBM模組與AMD GPU的中介層。該HBM可視為3D封裝,而兩旁中介層上間隔佈局的GPU與HBM模組則形成2.5D封裝。


圖1:採用海力士HBM記憶體的AMD Fiji GPU
(來源:TechInsights)

圖2是海力士HBM模組的掃描式電子顯微鏡(SEM)橫截面,顯示其中的4個SRAM晶片、基礎邏輯晶片、AMD中介層以及層疊基板。底部三個DRAM晶片已經被削薄了,而頂部的DRAM晶片仍相當厚。頂部的DRAM晶片較厚應該是刻意設計的特點,可能用於為HBM模組增加機械剛度。而微凸塊結構則將晶片連接在一起,並連至中介層。


圖2:海力士HBM記憶體
(來源:TechInsights)

TSV用於連接堆疊的DRAM晶片,如圖3和圖4。中段鑽孔(via middle)製程用於形成TSV,而晶圓在前段(FEOL)製程中製造出電晶體、觸點以及金屬前電介質。反應性離子蝕刻可能用於製造TSV開口,這些過孔都是微小的圓錐形,靠近主動電路的過孔頂部比底部稍寬大些。


圖3:堆疊的DRAM晶片與TSV技術
(來源:TechInsights)

(下一頁繼續:TSV與微凸塊)


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