一文看懂TSV技術(shù)
從HBM存儲器到3D NAND芯片,再到CoWoS,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?/span>
在2000年的第一個月,Santa Clara University的Sergey Savastiou教授在Solid State Technology期刊上發(fā)表了一篇名叫《Moore’s Law – the Z dimension》的文章。這篇文章最后一章的標(biāo)題是Through-Silicon Vias,這是 Through-Silicon Via 這個名詞首次在世界上亮相。這篇文章發(fā)表的時間點似乎也預(yù)示著在新的千禧年里,TSV注定將迎來它不凡的表演。
TSV示意圖
TSV,是英文Through-Silicon Via的縮寫,即是穿過硅基板的垂直電互連。
如果說Wire bonding(引線鍵合)和Flip-Chip(倒裝焊)的Bumping(凸點)提供了芯片對外部的電互連,RDL(再布線)提供了芯片內(nèi)部水平方向的電互連,那么TSV則提供了硅片內(nèi)部垂直方向的電互連。 作為唯一的垂直電互連技術(shù),TSV是半導(dǎo)體先進封裝最核心的技術(shù)之一。
90年代中期,半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生一件大事: IBM用銅電鍍大馬士革工藝全面替代的濺射鋁作為集成電路中晶體管互連。這樣電鍍銅在半導(dǎo)體行業(yè)便開始成為標(biāo)準(zhǔn)工藝,這讓電鍍銅用于TSV的微孔金屬化填充更加順理成章。至此, 現(xiàn)代TSV的兩項核心技術(shù):深硅刻蝕和電鍍都出現(xiàn)了。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。
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。
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?
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。
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。
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。
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)在智能手機中的一種內(nèi)存,包括SoC頂部的存儲器通過硅互連。
來源:半導(dǎo)體風(fēng)向標(biāo)
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