來源：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)，可以實現(xiàn)目前“世界上最高的性能”，為更快、更高效的計算鋪平了道路。

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

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

在當今的數(shù)字時代，工程師和研究人員不斷提出新的計算機輔助技術(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。第一種方法在實踐中很難實現(xiàn)，因為上述組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一個比特數(shù)據(jù)所需的能量，稱為“比特訪問能量”（bit access energy），這也是具有挑戰(zhàn)性的。

幸運的是，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)找到了解決這個問題的可行方案。在最近舉行的IEEE 2023 VLSI技術(shù)和電路研究研討會上，Takayuki Ohba教授及其同事報告了他們的關(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)有望解決上述問題，從而實現(xiàn)更好的PU和動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)集成。

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

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

此外，研究人員實施了一項涉及四相屏蔽輸入/輸出(IO)的創(chuàng)新策略，以使BBCube 3D具有更強的抗噪聲能力。他們調(diào)整了相鄰的IO線的時序，使它們始終彼此不同步，這意味著它們永遠不會同時改變其值。這減少了線路之間的串擾噪聲，并使整體設(shè)計運行更加穩(wěn)健。

該研究團隊評估了他們的BBCube 3D架構(gòu)的速度，并將其與現(xiàn)有兩種最先進的內(nèi)存技術(shù)：DDR5和HBM2E進行了比較。Ohba教授在解釋實驗結(jié)果時表示：“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題。BBCube 3D有望實現(xiàn)每秒1.6TB的帶寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。在比特訪問能量方面，BBCube 3D的比特訪問能量分別是HBM2E的1/20和DDR5的1/5。”

審核編輯：湯梓紅