BBCube3D以混合3D方法實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成

來(lái)源：ACT半導(dǎo)體芯科技

日本東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Tech）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于處理單元（processing units）和內(nèi)存堆疊的創(chuàng)新三維集成技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)目前“世界上最高的性能”，為更快、更高效的計(jì)算鋪平了道路。

這種創(chuàng)新的堆疊架構(gòu)被命名為“Bumpless Build Cube 3D”（簡(jiǎn)稱BBCube 3D），它實(shí)現(xiàn)了比最先進(jìn)的內(nèi)存技術(shù)更高的數(shù)據(jù)帶寬，同時(shí)還最大限度地降低了比特訪問(wèn)所需的能量。

BBCube 3D技術(shù)采用了一種堆疊設(shè)計(jì)，其中處理單元(xPU)位于多個(gè)互連內(nèi)存層(DRAM)之上。通過(guò)用硅通孔(TSV)代替電線，可以縮短連接長(zhǎng)度，從而獲得更好的整體電氣性能。

在當(dāng)今的數(shù)字時(shí)代，工程師和研究人員不斷提出新的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，這些技術(shù)需要處理單元（即PU，例如GPU和CPU）與存儲(chǔ)芯片之間有更高的數(shù)據(jù)帶寬?，F(xiàn)代帶寬密集型應(yīng)用的一些例子包括人工智能、分子模擬、氣候預(yù)測(cè)和遺傳分析等。

然而，為了增加數(shù)據(jù)帶寬，必須在PU和存儲(chǔ)器之間添加更多線路，或者提高數(shù)據(jù)速率。第一種方法在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樯鲜鼋M件之間的傳輸通常發(fā)生在二維中，使得添加更多線路變得困難棘手。另一方面，提高數(shù)據(jù)速率則需要增加每次訪問(wèn)一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)所需的能量，稱為“比特訪問(wèn)能量”（bit access energy），這也是具有挑戰(zhàn)性的。

幸運(yùn)的是，日本東京工業(yè)大學(xué)的一組研究人員現(xiàn)在可能已經(jīng)找到了解決這個(gè)問(wèn)題的可行方案。在最近舉行的IEEE 2023 VLSI技術(shù)和電路研究研討會(huì)上，Takayuki Ohba教授及其同事報(bào)告了他們的關(guān)于BBCube3D技術(shù)的研究成果（論文題目：Bumpless Build Cube 3D:Heterogeneous 3D Integration Using WoW and CoW to Provide TB/s Bandwidth with Lowest Bit Access Energy）。該技術(shù)有望解決上述問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)更好的PU和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)集成。

BBCube 3D最引人注目的方面是實(shí)現(xiàn)了PU和DRAM之間的三維連接，而不是二維連接。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用創(chuàng)新的堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這一壯舉，其中PU芯片位于多層DRAM之上，所有層均通過(guò)硅通孔(TSV)互連。

BBCube3D的整體架構(gòu)緊湊，沒(méi)有采用典型的焊料微凸塊，并且使用TSV代替較長(zhǎng)的電線，這些都有助于實(shí)現(xiàn)低寄生電容和低電阻，也提高了整體設(shè)計(jì)在各個(gè)方面的電氣性能。

此外，研究人員實(shí)施了一項(xiàng)涉及四相屏蔽輸入/輸出(IO)的創(chuàng)新策略，以使BBCube 3D具有更強(qiáng)的抗噪聲能力。他們調(diào)整了相鄰的IO線的時(shí)序，使它們始終彼此不同步，這意味著它們永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)改變其值。這減少了線路之間的串?dāng)_噪聲，并使整體設(shè)計(jì)運(yùn)行更加穩(wěn)健。

該研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了他們的BBCube 3D架構(gòu)的速度，并將其與現(xiàn)有兩種最先進(jìn)的內(nèi)存技術(shù)：DDR5和HBM2E進(jìn)行了比較。Ohba教授在解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)表示：“由于BBCube 3D 的低熱阻和低阻抗，可以緩解3D集成中典型的熱管理和電源問(wèn)題。BBCube 3D有望實(shí)現(xiàn)每秒1.6TB的帶寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。在比特訪問(wèn)能量方面，BBCube 3D的比特訪問(wèn)能量分別是HBM2E的1/20和DDR5的1/5?！?/p>

審核編輯：湯梓紅