美光：多核CPU給DRAM帶來麻煩 力推堆疊式芯片

多核心CPU令人厭惡。DRAM的運(yùn)行遭遇帶寬難題。隨著CPU性能的不斷提升，新的問題在于將有更多計(jì)算核心嘗試訪問服務(wù)器內(nèi)存，而帶寬將進(jìn)一步吃緊。解決方案之一在于將DRAM在邏輯層之上按層堆疊，從而使所構(gòu)成的混合內(nèi)存立方體(簡(jiǎn)稱HMC)擁有更高的訪問速度——美光如今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想。

美光選擇本屆丹佛超級(jí)計(jì)算大會(huì)作為舞臺(tái)，向全世界隆重公布了其專為千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)所開發(fā)的HMC芯片。其它目標(biāo)應(yīng)用還包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)包緩沖或存儲(chǔ)以及處理器加速——總之任何在內(nèi)存帶寬限制方面受到束縛的應(yīng)用都能從中獲得提升。

在這次展會(huì)上，富士通展示了一塊來自搭載HMC芯片的未來超級(jí)計(jì)算機(jī)原型機(jī)的電路板。美光也參與其中，并著力創(chuàng)建一套生態(tài)系統(tǒng)、旨在吸引更多廠商關(guān)注并使用HMC芯片。

一塊DRAM芯片結(jié)合了訪問流程所必需的內(nèi)存與邏輯功能。如果大家將DRAM芯片層彼此堆疊，那么邏輯電路也將出現(xiàn)重復(fù)。HMC給出的方案是將邏輯電路從各芯片當(dāng)中去除，轉(zhuǎn)而使用一個(gè)位于芯片底部的基礎(chǔ)邏輯層，從而為HMC當(dāng)中每一個(gè)DRAM層提供相應(yīng)功能。

HMC的方案展示：利用硅通孔作為貫穿各層的通道。

美光的HMC方案當(dāng)中擁有四到八個(gè)內(nèi)存層。該公司在一篇博文中表示：“每個(gè)內(nèi)存層都擁有數(shù)百萬個(gè)處于定義組(倉庫)中的內(nèi)存單元，并配備復(fù)雜的支持邏輯(倉庫控制器)、旨在全方位控制內(nèi)存單元并提供面向內(nèi)部通交叉交換機(jī)制的接口……HMC擁有16套彼此獨(dú)立運(yùn)作的倉庫體系，目的在于讓每個(gè)體系實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的10GB/s(即80Gb/s)真實(shí)內(nèi)存帶寬。邏輯層還支持外部接口、交叉交換、內(nèi)存調(diào)度器、內(nèi)置自測(cè)試(簡(jiǎn)稱BIST)、邊帶信道以及眾多可靠性、可用性及可服務(wù)性(簡(jiǎn)稱RAS)功能。”

邏輯層通過貫穿整套結(jié)構(gòu)的通道實(shí)現(xiàn)與各DRAM層的連通或者對(duì)話，也就是所謂硅通孔(簡(jiǎn)稱TSV)機(jī)制。這給制造工藝設(shè)計(jì)師帶來了不少難題，因?yàn)橛糜谶B接底層與三層之間的硅通孔長(zhǎng)度與用于連接底層與四層之間的硅通孔長(zhǎng)度幾乎沒什么差別?？刂浦圃炀瘸闪水a(chǎn)品成功的必要前提，因?yàn)橐坏┻B通的層數(shù)出現(xiàn)偏差、整個(gè)多層模板就會(huì)徹底報(bào)廢，由此帶來的損失要遠(yuǎn)高于單層DRAM晶圓。

這些硅通孔技術(shù)必須完美地與自身經(jīng)過的DRAM層相絕緣——這又是另一個(gè)制造層面的難題。

第三點(diǎn)：DRAM層在硅通孔貫穿位置不能存在內(nèi)存單元。而層數(shù)越多，我們所需要的硅通孔數(shù)量也越多，這就讓芯片層設(shè)計(jì)師的工作變得愈發(fā)復(fù)雜。

其實(shí)所謂“立方體”只是一種夸張的形容;真正的邏輯與內(nèi)存層其實(shí)很薄、并不能構(gòu)成立方結(jié)構(gòu)。

HMC擁有高速CPU連接，而硅通孔則使訪問進(jìn)行“大規(guī)模并行”時(shí)代。正如美光在一份16頁的演示說明中所表述：

HMC設(shè)備中的DRAM非常獨(dú)特，其設(shè)計(jì)目的在于支持十六個(gè)獨(dú)立的自支持倉庫。每套倉庫提供10Gb/s穩(wěn)定內(nèi)存帶寬，因此立方體的整體帶寬可達(dá)到160GB/s。在每套倉庫當(dāng)中，各DRAM層都擁有兩個(gè)儲(chǔ)庫，相當(dāng)于2GB設(shè)備中總計(jì)包含128個(gè)儲(chǔ)庫、4GB設(shè)備中總計(jì)包含256個(gè)儲(chǔ)庫。這給系統(tǒng)性能帶來了巨大影響——與以鎖步方式運(yùn)行儲(chǔ)庫的常規(guī)內(nèi)存相比，新方案擁有更低的查詢延遲以及更出色的數(shù)據(jù)響應(yīng)可用性。

美光公司還表示，其HCM的160GB/s帶寬相當(dāng)于DDR2模塊的15倍，功耗則比現(xiàn)有技術(shù)低出達(dá)70%。它所占據(jù)的空間也比RDIMM低出約九成。

目前HMC聯(lián)盟共有八位主要開發(fā)成員，它們分別是：Altera、ARM、IBM、SK海力士、美光、Open-Silicon、三星以及Xilinix。HMC 1.0規(guī)格目前已經(jīng)制定并正式公布，且擁有超過一百家企業(yè)計(jì)劃采用這套方案。

這些企業(yè)能夠利用HMC作為“近內(nèi)存”，即將其安裝在處理器附近;或者作為“遠(yuǎn)內(nèi)存”，即使用向外擴(kuò)展HMC模塊以實(shí)現(xiàn)更高的能源效率。

美光目前已經(jīng)開始對(duì)其2GB HMC芯片進(jìn)行取樣;4GB芯片則將于明年年初開始取樣;2GB與4GB HMC設(shè)備的批量生產(chǎn)將于明年年末正式開始。