BBCube 3D - Реализация CPU/GPU и памяти в гибридном 3D-подходе

Инновационная многоуровневая архитектура, получившая название BBCube 3D, обеспечивает более высокую пропускную способность данных, чем современные технологии памяти, а также сводит к минимуму энергию, необходимую для доступа к битам.

В нынешнюю цифровую эпоху инженеры и исследователи продолжают придумывать новые компьютерные технологии, которые требуют более высокой пропускной способности данных между процессорами (или ПУ, такими как графические процессоры и процессоры) и микросхемами памяти. Некоторые примеры современных приложений с большой пропускной способностью включают искусственный интеллект, молекулярное моделирование, прогнозирование климата и генетический анализ.

Однако, чтобы увеличить пропускную способность данных, необходимо либо добавить больше проводов между ПУ и памятью, либо увеличить скорость передачи данных. Первый подход трудно реализовать на практике, потому что передача между вышеупомянутыми компонентами обычно происходит в двух измерениях, что затрудняет добавление дополнительных проводов. С другой стороны, увеличение скорости передачи данных требует увеличения энергии, необходимой для доступа к биту каждый раз, называемой «энергией доступа к биту», что также является сложной задачей.

К счастью, группа исследователей из Токийского технологического института (Tokyo Tech) в Японии, возможно, нашла жизнеспособное решение этой проблемы. В недавнем исследовании IEEE 2023 Symposium on VLSI Technology and Circuits профессор Такаюки Оба и его коллеги предложили технологию под названием «Bumpless Build Cube 3D» или BBCube 3D. Эта технология обладает потенциалом для решения вышеупомянутых проблем для лучшей интеграции между процессорами и динамической оперативной памятью (DRAM).

Предлагаемая технология использует многоуровневую конструкцию, в которой процессоры (xPU) располагаются поверх нескольких взаимосвязанных слоев памяти (DRAM). Заменяя провода сквозными кремниевыми переходными отверстиями (TSV), можно сократить длину соединений, что приводит к улучшению общих электрических характеристик. Предоставлено: Токийский технологический институт

Как следует из названия, наиболее заметным аспектом BBCube 3D является реализация связей между PU и DRAM в трех измерениях, а не в двухмерных. Команда смогла достичь этого успеха, используя инновационную многоуровневую структуру, в которой кристаллы PU располагаются поверх нескольких слоев DRAM, соединенных между собой через кремниевые переходные отверстия (TSV).

Общая компактная архитектура BBCube 3D, отсутствие типичных микроударов припоя и использование TSV вместо более длинных проводов вместе способствуют низкой паразитной емкости и низкому сопротивлению. Это улучшает электрические характеристики устройства на различных фронтах.

Кроме того, исследователи реализовали инновационную стратегию, включающую четырехфазные экранированные входы/выходы (IO), чтобы сделать BBCube 3D более устойчивым к шуму. Они отрегулировали синхронизацию соседних линий ввода-вывода таким образом, чтобы они всегда не совпадали по фазе друг с другом, что означает, что они никогда не меняют значения одновременно. Это снижает уровень шума перекрестных помех и повышает надежность работы устройства.

Команда оценила скорость предложенной архитектуры и сравнила ее с двумя современными технологиями памяти: DDR5 и HBM2E. «BBCube 3D может достичь пропускной способности 1,6 терабайт в секунду, что в 30 раз выше, чем у DDR5, и в четыре раза выше, чем у HBM2E», — говорит профессор Оба, объясняя результаты своего эксперимента.

Кроме того, BBCube 3D также представляет собой крупный прорыв с точки зрения энергии доступа к битам. «Благодаря низкому тепловому сопротивлению и низкому импедансу BBCube можно решить проблемы с управлением температурным режимом и питанием, типичные для 3D-интеграции, — объясняет профессор Оба. — В результате предлагаемая технология может достичь замечательной пропускной способности с энергией доступа к битам, которая составляет 1/20 и 1/5 от DDR5 и HBM2E соответственно».

Подробнее: Bumpless Build Cube (BBCube) 3D: Heterogeneous 3D Integration Using WoW and CoW to Provide TB/s Bandwidth with Lowest Bit Access Energy. www.vlsisymposium.org/files/pr … vanceprogram0612.pdf 🔗