一文看懂TSV技术

来源：文章由半导体行业观察编译自hardzone，谢谢。

从HBM存储器到3D NAND芯片，硬件市场上有许多芯片是用英文称为TSV构建的，TSV是首字母缩写，意为“通过硅通孔”并翻译为via硅的事实，它们垂直地穿过的芯片和允许在它们之间垂直互通。在本文中，我们将告诉您它们是什么，它们如何工作以及它们的用途。

在硬件世界中，经常用与速度有关的术语来谈论它，即是否是内存的带宽，处理器的时钟周期，处理器每秒执行某种类型的计算的次数等等，但是我们很少问自己这些芯片如何相互通信以及这是否重要。

在本文中，我们将讨论一种称为TSV的技术，该技术可用于相互通信的芯片。

什么是硅或TSV通路？

如果我们看大多数主板，可以看到两件事：第一，芯片之间的大多数连接都是水平的，这意味着板上发送芯片间信号的路径是水平通信的。

PCB

然后是CPU的情况，这些CPU放置在我们称为插座的插入器的顶部，并且处理器在这些插入器上垂直连接。

SocketCPU

但是通常，在99％的时间中，我们观察到通常没有相互垂直连接的芯片，尽管事实上芯片和处理器的设计朝着这个方向发展，并且市场上已经有这种类型的示例。但是，如何使两个或更多芯片垂直互连？

TSV

好吧，正是通过所谓的硅通道来完成的，硅通道垂直穿过组成堆栈的同一芯片的不同芯片或不同层，这就是为什么它们被称为“通过”硅通道，因为它们实际上是通过的。

使用TSV的应用和优势

TSV的应用之一是，它允许将由不同部分组成的复杂处理器分离在几个不同的芯片上，并具有以下附加优点：垂直连接允许更多数量的连接，这有助于实现更大的带宽，而无需额外的带宽。很高的时钟频率会增加数据传输期间的功耗。

例如，在将来，我们将看到CPU和GPU的最后一级缓存将不在芯片上，它们具有相同的带宽，但存储容量却是原来的几倍，这将大大提高性能。我们也有使用FSV来通信Lakefield SoC的两个部分的Intel Foveros示例，即带有系统I / O所在的基本芯片的计算芯片。

LakefieldFoveros

将处理器划分为不同部分的原因是，随着芯片的变大，电路中错误的可能性越来越大，因此没有故障的优质芯片的数量会增加。他们可以使用的更少，而那些做得好的人必须支付失败者的费用；这意味着从理论上减小芯片的尺寸会降低总体成本，尽管稍后我们将看到情况并非完全如此。

HBM-vs-GDDR

第二个应用程序与占用的空间有关；能够垂直堆叠多个芯片的事实大大减少了它们占用的面积，因为它们不会散布在板上，其中最著名的示例是将HBM内存用作某些图形处理器的VRAM，但是我们还有其他示例，例如三星的V-NAND存储器，将多个NAND闪存芯片彼此堆叠。

3DNAND

其他鲜为人知的选择是逻辑和内存的组合，其中内存位于处理器的顶部，最著名的示例是宽I / O内存，这是几年前出现在智能手机中的一种内存，包括SoC顶部的存储器通过硅互连。

为什么采用硅途径如此缓慢？

TSV存在一些固有的问题，这意味着尽管数十年来在纸上是一种非常有前途的技术，但它并没有完全普及，仍然是一种为很小的市场生产芯片但利润率很高的方法。

他们的第一个问题是，要实施一项极其昂贵的技术，需要对许多公司的生产线进行深刻的变革，这些公司多年来一直在生产没有TSV的芯片，并且对于许多应用而言，传统的制造工艺已被证明是足够好的。

第二个问题是，如果组成垂直结构的一部分完全失效，则必须丢弃整个结构，这会使通过TSV互连的系统制造起来更加昂贵。HBM内存的示例在这方面意义重大，其成本如此之高，以致无法用作消费市场的内存。

第三个问题是热阻塞，芯片在某些温度条件下达到其时钟速度，如果附近有另一个也会发热的芯片会受到影响。例如，我们可能有两个处理器，每个处理器分别达到1 GHz，但由于温度问题，垂直放置在TSV结构中的每个处理器只能达到0.8 GHz。

这是当今工程师最关心的第三点，并且正在开发冷却机制，以使构成堆栈的芯片保持尽可能低的温度，以避免热淹没问题。