SK Hynix, yeni nesil Yüksek Bant Genişlikli Bellek (HBM) çözümleri için Intel'in EMIB'i gibi gelişmiş paketleme teknolojilerini kullanıyor ve gelecekte 3D paketleme aşamasına geçmeyi hedefliyor.
HBM'i Ölçeklendirmek Büyük Zorluklar Getiriyor ve SK Hynix, 3D Dönemine Girerken Bu Zorlukları Aşmak İçin Gelişmiş Paketleme Çözümlerinden Yararlanıyor
Teknoloji dünyasının önemli buluşmalarından birinde, SK Hynix'ten Jaesik Lee, şirketin HBM yol haritasını hızlandırmak için gelişmiş paketleme teknolojilerinden nasıl yararlanmayı planladığını anlattığı "Yüksek Bant Genişlikli Bellek İçin Gelişmiş Paketleme" sunumunu gerçekleştirdi.
Şirket, HBM'in şu anda nasıl üretildiğini anlatarak söze başladı. Mevcut HBM yapısı, birden fazla çekirdek yongasını (DRAM entegre devreleri) dikey olarak üst üste istifleyerek ve Bunlar Arası Geçitler (TSV) aracılığıyla bir taban yongasına bağlayarak elde edilen 3D yığınlı bir yapıdan oluşuyor. HBM şu anda en fazla 16 katman veya 16-Hi yığın yüksekliğine ulaşabiliyor.
Her sıra (rank) için dört yonga bulunuyor ve 16-Hi bir yığın 4 sıra içeriyor. Her yonga için dört kanal mevcut ve bu kanallar toplam 16 bankı içeriyor. HBM ve Grafik İşlem Birimi (GPU) ayrı yongalar olmasına rağmen, 2.5D paketleme kullanılarak aynı silikon ara katman üzerine yerleştiriliyor. Her HBM modülü ayrıca silikon ara katman aracılığıyla 16 kanallı 1024 G/Ç (IO) içeriyor. Bunlar, HBM yığınını bir Fiziksel Katman (PHY) aracılığıyla XPU'ya bağlıyor.
HBM, yer, güç ve işletme maliyetinden tasarruf sağladığı için bir DRAM çözümü olarak önem taşıyor. Tipik bir GDDR6 çözümü 24 GB bellek ve 768 GB/s bant genişliği sunarken, dört yığınlı bir HBM3E çözümü alanı yarı yarıya azaltarak 144 GB'a kadar bellek ve 4 TB/s bant genişliği sunuyor.
SK Hynix'in mevcut yol haritası, 24 Gb DRAM yoğunluklarına sahip, 36 GB'a kadar bellek kapasitesine ulaşabilen, toplam 2048 G/Ç biti, 8 Gbps'ye kadar G/Ç hızları ve 2048 GB/s bant genişliği sunan HBM4'ü en üst düzey ürün olarak içeriyor.
HBM4, artan paket yüksekliği ve boyutuyla geliyor. Ayrıca HBM3E'ye göre daha fazla TSV ve mikro-bump entegre ediyor. Sonuçlar şöyle:
- >2 TB/s bant genişliği
- %40+ Daha Düşük Güç Verimliliği
- HBM3E'ye kıyasla %14+ Termal Direnç İyileşmesi
- 48 GB'a kadar kapasite (üretimde 12-Hi, yeterlilikte 16-Hi)
- 775um Z-Yüksekliği, 12.8x11mm²
- 16.148 Taban Mikro-Bump
- >20K TSV
Şu anda iki ana HBM paketleme teknolojisi bulunuyor: Termal Sıkıştırma + İletken Olmayan Film (TC+NCF) ve Kütlesel Yeniden Akış + Kalıplanmış Dolgu Altı (MR+MUF). TC+NCF, yonga bükülmesi sorunlarına karşı daha iyi direnç sağlarken, daha yüksek termal dirence ve daha düşük verimliliğe sahip. MR+MUF ise daha yüksek verimlilik ve düşük termal direnç sunuyor, ancak çip bükülmesine daha yatkın ve dolgu boşluğu dezavantajları da bulunuyor.
SK Hynix ayrıca HBM Süreç Akışını da vurguluyor; bu akış, Fab'dan müşteri sistemlerine kadar altı temel aşamayı içeriyor:
SK Hynix, HBM paketinin içine dört temel teknolojiyi entegre ediyor; bunlar şunları içeriyor:
- TSV (Bunlar Arası Geçit) Oluşturma
- Wafer İncelmesi
- u-Bump (Mikro-Bump) Oluşturma
- Çip Yığma/Dolgu Altı
Gelişmiş MR-MUF teknolojisi, SK Hynix tarafından 16-Hi HBM3E çözümü için iki yeni teknoloji ile birlikte kullanılıyor: Bükülme Kontrolü ve İnce Adım Entegrasyonu & Dar Boşluk Doldurma. Toplam paket yüksekliği 775 mikrona yükseltilirken, çip kalınlığı 0.9x'e düşürülüyor, boşluk yüksekliği 0.5x'e indiriliyor ve bump adımı 0.9x'e küçültülüyor.
Ancak, geleceğe baktığımızda, ele alınması gereken bazı önemli zorluklar bulunuyor. Birincisi, bant genişliği talebi arttıkça HBM'in güç tüketiminin artması, ikincisi ise TSV Alanı ile birlikte ortaya çıkan termal sorunlardır. TSV sayısı arttıkça, TSV Adım boyutu küçülmesine rağmen alan artmaya devam ediyor. Dahası, her iki nesilde bir bant genişliğinin neredeyse ikiye katlanması, mevcut süreçler ve paketleme teknolojileri üzerinde 2.2 katlık bir termal yük oluşturuyor.
Bu nedenle SK Hynix, 16-Hi yığınların ötesine geçmeyi, daha dar bir adım ile daha fazla performans sunmayı ve daha yüksek iletkenlik ile daha iyi termal verimlilik sağlamayı hedefleyen Hibrit Yapıştırma (Hybrid Bonding) gibi gelecekteki metodolojilere yöneliyor.
SK Hynix, Hibrit Yapıştırma'nın, MR-MUF süreçlerine kıyasla %24 daha kalın bir çekirdek yonga ve 18 mikronun altında bir TSV adım boyutu elde ettiğini gösteriyor. Ve yığın katmanlarının sayısı artsa bile, Hibrit Yapıştırma %35 daha düşük termal dirence sahip.
Samsung'un HPB (Isı Yolu Bloğu) gibi, SK Hynix de HBM D2D PHY alanının (sıcak noktanın yakınında) içine yüksek termal iletkenliğe ve elektriksel olarak yalıtkan bir soğutma bileşeni yerleştirerek, ek olarak %30'dan fazla termal direnç azalması sağlayan özel bir ısı yolu oluşturan kendi lokalize sıcak nokta azaltma teknolojisi olan I-HBM üzerinde çalışıyor.
İleriye dönük olarak SK Hynix, TSV sayısını iki katına çıkararak ve mantık süreci entegrasyonu ile daha yüksek G/Ç hızı sağlayarak bant genişliğini artırmayı hedefliyor; güç/PDN (Güç Dağıtım Ağı) zorlukları ise, PDN'yi büyük ölçüde iyileştirmek için "her yere" yayılan güç TSV'leri ile en son ve optimize edilmiş mantık dökümhane süreçleri kullanılarak ele alınacak.
HBM teknolojisindeki daha yüksek güç yoğunluğu, bant genişliği ve yığın yükseklikleri için süregelen zorlama, daha kalın oksit katmanları, daha yoğun TSV'ler ve artan pin hızları tarafından yönlendirilen önemli termal, mekanik ve paketleme zorlukları getiriyor.
MLMO (çok katmanlı metal yığınlar), optimize edilmiş mikro-bump'lar, gelişmekte olan hibrit yapıştırma (daha iyi termal iletkenlik, süreç marjları ve daha ince adımlar için) ve IHBM gibi sıcak nokta çözümleri gibi yenilikler bu sorunları aktif olarak ele alıyor. Ancak yığınlar 16-20 katmana doğru ilerledikçe ve mimariler mantıkla daha yakın 3D entegrasyona doğru evrildikçe, başarı tasarım, malzemeler, müşteri süreçleri ve ara katman teknolojilerinin daha da sıkı bir şekilde birlikte optimize edilmesini gerektirecektir. Hem kapasite hem de bant genişliği için gelecekteki iş yükü taleplerini karşılamak üzere sektör genelinde sürekli işbirliği esastır.
Şirket ayrıca, CoWoS-L, CoWoS-R ve CoWoS-S'nin yanı sıra 2.5D HBM çözüm slaytında Intel EMIB paketleme teknolojisine de değindi. Şirket, farklı gelişmiş paketleme teknolojilerinin HBM/Ara katmanı farklı şekillerde nasıl zorladığını gösteriyor. Ve son olarak, SK Hynix, HBM'leri hızlandırıcıların üzerine yığmalarına olanak tanıyacak 3D entegrasyonunu akılda tutarak geleceğe bakıyor; bu, gelişmiş mantık ve gelişmiş paketleme teknolojileri olgunlaştığında herkesin yapmak istediği bir hamledir.
