高帶寬存儲(chǔ)器（HBM, High Bandwidth Memory）是一種可以實(shí)現(xiàn)高帶寬的高附加值DRAM產(chǎn)品,，適用于超級(jí)計(jì)算機(jī),、AI加速器等對(duì)性能要求較高的計(jì)算系統(tǒng)。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,，機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用日漸廣泛,，而機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)是自20世紀(jì)80年代以來一直作為研究熱點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。作為速度最快的DRAM產(chǎn)品,，HBM在克服計(jì)算技術(shù)的局限性方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用,。

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HBM的高帶寬離不開各種基礎(chǔ)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)計(jì)工藝的支持。由于HBM是在3D結(jié)構(gòu)中將一個(gè)邏輯die與4-16個(gè)DRAM die堆疊在一起,，因此開發(fā)過程極為復(fù)雜,。鑒于技術(shù)上的復(fù)雜性，HBM是公認(rèn)最能夠展示廠商技術(shù)實(shí)力的旗艦產(chǎn)品,。

從2015年推出HBM1到2021年10月開發(fā)業(yè)界第一款HBM3 DRAM,，SK海力士一直是HBM行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。SK海力士的HBM產(chǎn)品大獲成功的首要因素是產(chǎn)品特性,，具體而言,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在保證市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面發(fā)揮了重要作用。SK海力士HBM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)將產(chǎn)品規(guī)格落實(shí)到實(shí)際電路中,，同時(shí)開發(fā)配套的產(chǎn)品架構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù),，以確保準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能、高性能和低功耗特性,。得益于對(duì)產(chǎn)品的全面了解,，HBM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還在未來產(chǎn)品規(guī)劃及規(guī)格定義方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外,，HBM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)聆聽客戶反饋,，并圍繞問題展開分析。

產(chǎn)品特性通常分為三類：性能,、功耗和面積,，即PPA (Power, Performance, Area)。本文著重探討如何通過卓越的設(shè)計(jì)工藝來提高產(chǎn)品性能或創(chuàng)造速度優(yōu)勢(shì),。如前所述,，HBM支持高帶寬，而帶寬指的是在特定單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,。由于具有高帶寬的特性,，HBM主要應(yīng)用于高性能計(jì)算場(chǎng)景。

通過機(jī)器學(xué)習(xí)解決偏移問題

過去八年來,，HBM產(chǎn)品帶寬增加了七倍,，目前已接近1TB/秒的里程碑節(jié)點(diǎn),。鑒于同期內(nèi)其他產(chǎn)品的帶寬僅增加兩到三倍，我們有理由將HBM產(chǎn)品的快速發(fā)展歸功于存儲(chǔ)器制造商之間激烈的競(jìng)爭(zhēng),。

存儲(chǔ)器帶寬指單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,，要想增加帶寬，最簡(jiǎn)單的方法是增加數(shù)據(jù)傳輸線路的數(shù)量,。事實(shí)上，每個(gè)HBM由多達(dá)1024個(gè)數(shù)據(jù)引腳組成,，HBM內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸路徑隨著每一代產(chǎn)品的發(fā)展而顯著增長(zhǎng),，如圖2所示。

但是,，芯片的尺寸限制了傳輸路徑的增加,。因?yàn)樵黾拥牟粌H是數(shù)據(jù)傳輸線路，還有使用每條傳輸線路的傳輸/接收電路,。此外,，隨著傳輸線路的增加，等量匹配每條傳輸線路長(zhǎng)度和配置的難度加大,，使得運(yùn)行速度無法提升,。

傳輸線路之間的時(shí)序差異就是我們所說的偏移。為了減少偏移,，每條傳輸線路的總長(zhǎng)度和電子元件應(yīng)采用相似的設(shè)計(jì),。然而，HBM有數(shù)千條內(nèi)部傳輸線路,，逐一匹配幾乎是不可能的任務(wù),。為此，SK海力士引入了機(jī)器學(xué)習(xí),。強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement learning）技術(shù)可以在每條傳輸線路上附加多余的傳輸路徑,，無需工程師手動(dòng)作業(yè)，即可精確地優(yōu)化偏移問題,，由此減少整個(gè)傳輸路徑間的偏移,。

一些90度彎曲的線路具有不同的特性，因此必須通過增加紅色附加線的方式來減少偏移（Skew）,。與初始的隨機(jī)解決方案（如圖3左側(cè)所示）相比,，強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)的使用可以帶來最優(yōu)結(jié)果（如右圖所示）。通過這種方法,，偏移從100皮秒（100 ps）縮短至70皮秒（70 ps）,，降幅達(dá)30%。

通過PVT感知時(shí)序優(yōu)化來提高速度

即使偏移問題得到優(yōu)化,，各種信號(hào)之間相對(duì)時(shí)序關(guān)系的匹配仍然是一個(gè)難題,。例如,，每32個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（clock signal)*，如果需要由時(shí)鐘信號(hào)來控制數(shù)據(jù)信號(hào),，那么時(shí)鐘信號(hào)必須采用與數(shù)據(jù)信號(hào)不同的電路,。電路配置的差異也會(huì)導(dǎo)致關(guān)系的變化，具體取決于工藝,、電壓,、溫度（PVT）的變化。無論何種情況下,，時(shí)鐘都必須位于數(shù)據(jù)的特定時(shí)序部分,。但是，隨著運(yùn)行速度的提升,，時(shí)序部分會(huì)減少,，由此增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

* 時(shí)鐘信號(hào)（clock signal）：在同步數(shù)字電路中,，時(shí)鐘信號(hào)在高位和低位狀態(tài)之間振蕩,，并且像節(jié)拍器一樣用于協(xié)調(diào)數(shù)字電路的動(dòng)作。

為了解決這一問題,，SK海力士采用PVT感知時(shí)序優(yōu)化技術(shù)來檢測(cè)HBM3中的PVT變化,，以找到最佳時(shí)序。這項(xiàng)技術(shù)可以確定單元電路的哪一個(gè)分級(jí)與精確循環(huán)的外部時(shí)鐘輸入具有相同的周期,，并基于該數(shù)據(jù)自動(dòng)優(yōu)化主時(shí)序裕量電路（timing margin circuit） 中的電路配置,。如圖4所示，隨著PVT的變化,，時(shí)鐘時(shí)序通常會(huì)將時(shí)鐘移動(dòng)到一側(cè),，而PVT感知時(shí)序優(yōu)化技術(shù)可以在任何情況下讓時(shí)鐘始終保持在中心位置，以此來提高速度,。

為了增加作為HBM關(guān)鍵性能指標(biāo)的帶寬,，SK海力士正在開發(fā)一系列設(shè)計(jì)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化,、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信號(hào)線路優(yōu)化,、PVT感知時(shí)序優(yōu)化技術(shù)以及全新工藝技術(shù)等?；A(chǔ)die與典型DRAM工藝的不同之處在于基礎(chǔ)die沒有單元,，利用這一特性，我們正在開發(fā)HBM優(yōu)化工藝技術(shù)以及用于3D堆棧的先進(jìn)封裝技術(shù),。

通過上述一系列努力,，SK海力士實(shí)現(xiàn)了HBM的快速發(fā)展。然而,，為了滿足客戶不斷增加的期望,，打破現(xiàn)有框架進(jìn)行新技術(shù)開發(fā)勢(shì)在必行,。此外，SK海力士還在與HBM生態(tài)系統(tǒng)中的參與者（客戶,、代工廠和IP公司等）通力合作,，以提升生態(tài)系統(tǒng)等級(jí)。商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變同樣是大勢(shì)所趨,。作為HBM領(lǐng)軍企業(yè),，SK海力士將致力于在計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域不斷取得進(jìn)步，全力實(shí)現(xiàn)HBM的長(zhǎng)期發(fā)展,。

*樸明宰：SK海力士HBM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)project leader

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