《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一文看懂TSV技術(shù)

2020-11-15
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: HBM存儲器 NAND芯片 TSV

  從HBM存儲器到3D NAND芯片,硬件市場上有許多芯片是用英文稱為TSV構(gòu)建的,,TSV是首字母縮寫,,意為“通過硅通孔”并翻譯為via硅的事實,它們垂直地穿過的芯片和允許在它們之間垂直互通,。在本文中,,我們將告訴您它們是什么,它們?nèi)绾喂ぷ饕约八鼈兊挠猛尽?/p>

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  在硬件世界中,,經(jīng)常用與速度有關(guān)的術(shù)語來談?wù)撍?,即是否是?nèi)存的帶寬,處理器的時鐘周期,,處理器每秒執(zhí)行某種類型的計算的次數(shù)等等,,但是我們很少問自己這些芯片如何相互通信以及這是否重要。

  在本文中,,我們將討論一種稱為TSV的技術(shù),,該技術(shù)可用于相互通信的芯片。

  什么是硅或TSV通路?

  如果我們看大多數(shù)主板,,可以看到兩件事:第一,,芯片之間的大多數(shù)連接都是水平的,這意味著板上發(fā)送芯片間信號的路徑是水平通信的,。

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  PCB

  然后是CPU的情況,,這些CPU放置在我們稱為插座的插入器的頂部,并且處理器在這些插入器上垂直連接,。

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  SocketCPU

  但是通常,,在99%的時間中,我們觀察到通常沒有相互垂直連接的芯片,,盡管事實上芯片和處理器的設(shè)計朝著這個方向發(fā)展,,并且市場上已經(jīng)有這種類型的示例。但是,,如何使兩個或更多芯片垂直互連,?

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  TSV

  好吧,正是通過所謂的硅通道來完成的,,硅通道垂直穿過組成堆棧的同一芯片的不同芯片或不同層,,這就是為什么它們被稱為“通過”硅通道,因為它們實際上是通過的,。

  使用TSV的應(yīng)用和優(yōu)勢

  TSV的應(yīng)用之一是,,它允許將由不同部分組成的復(fù)雜處理器分離在幾個不同的芯片上,并具有以下附加優(yōu)點:垂直連接允許更多數(shù)量的連接,,這有助于實現(xiàn)更大的帶寬,,而無需額外的帶寬。很高的時鐘頻率會增加數(shù)據(jù)傳輸期間的功耗,。

  例如,,在將來,我們將看到CPU和GPU的最后一級緩存將不在芯片上,,它們具有相同的帶寬,,但存儲容量卻是原來的幾倍,這將大大提高性能,。我們也有使用FSV來通信Lakefield SoC的兩個部分的Intel Foveros示例,,即帶有系統(tǒng)I / O所在的基本芯片的計算芯片。

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  LakefieldFoveros

  將處理器劃分為不同部分的原因是,,隨著芯片的變大,,電路中錯誤的可能性越來越大,因此沒有故障的優(yōu)質(zhì)芯片的數(shù)量會增加,。他們可以使用的更少,而那些做得好的人必須支付失敗者的費用;這意味著從理論上減小芯片的尺寸會降低總體成本,,盡管稍后我們將看到情況并非完全如此,。

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  HBM-vs-GDDR

  第二個應(yīng)用程序與占用的空間有關(guān);能夠垂直堆疊多個芯片的事實大大減少了它們占用的面積,,因為它們不會散布在板上,,其中最著名的示例是將HBM內(nèi)存用作某些圖形處理器的VRAM,但是我們還有其他示例,,例如三星的V-NAND存儲器,,將多個NAND閃存芯片彼此堆疊。

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  3DNAND

  其他鮮為人知的選擇是邏輯和內(nèi)存的組合,,其中內(nèi)存位于處理器的頂部,,最著名的示例是寬I / O內(nèi)存,這是幾年前出現(xiàn)在智能手機(jī)中的一種內(nèi)存,,包括SoC頂部的存儲器通過硅互連,。

  為什么采用硅途徑如此緩慢?

  TSV存在一些固有的問題,,這意味著盡管數(shù)十年來在紙上是一種非常有前途的技術(shù),,但它并沒有完全普及,仍然是一種為很小的市場生產(chǎn)芯片但利潤率很高的方法,。

  他們的第一個問題是,,要實施一項極其昂貴的技術(shù),需要對許多公司的生產(chǎn)線進(jìn)行深刻的變革,,這些公司多年來一直在生產(chǎn)沒有TSV的芯片,,并且對于許多應(yīng)用而言,傳統(tǒng)的制造工藝已被證明是足夠好的,。

  第二個問題是,,如果組成垂直結(jié)構(gòu)的一部分完全失效,則必須丟棄整個結(jié)構(gòu),,這會使通過TSV互連的系統(tǒng)制造起來更加昂貴,。HBM內(nèi)存的示例在這方面意義重大,其成本如此之高,,以致無法用作消費市場的內(nèi)存,。

  第三個問題是熱阻塞,芯片在某些溫度條件下達(dá)到其時鐘速度,,如果附近有另一個也會發(fā)熱的芯片會受到影響,。例如,我們可能有兩個處理器,,每個處理器分別達(dá)到1 GHz,,但由于溫度問題,,垂直放置在TSV結(jié)構(gòu)中的每個處理器只能達(dá)到0.8 GHz。

  這是當(dāng)今工程師最關(guān)心的第三點,,并且正在開發(fā)冷卻機(jī)制,,以使構(gòu)成堆棧的芯片保持盡可能低的溫度,以避免熱淹沒問題,。

 

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