近日，西安紫光國(guó)芯半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱“紫光國(guó)芯”）在第63屆國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM 2020）上公開(kāi)發(fā)表了技術(shù)論文——《采用3D混合鍵合技術(shù)具有34GB/s/1Gb帶寬和0.88pJ/b能效接口的異質(zhì)集成嵌入式LPDDR4/LPDDR4X DRAM》（A Stacked Embedded DRAM Array for LPDDR4/4Xusing Hybrid Bonding 3D Integration with 34GB/s/1Gb 0.88pJ/b Logic-to-MemoryInterface）。該論文的發(fā)表，是紫光國(guó)芯在超高帶寬、超低功耗DRAM方向技術(shù)積累和持續(xù)創(chuàng)新的最新突破。

受限于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系的馮-諾依曼架構(gòu)，存儲(chǔ)器帶寬與計(jì)算需求之間的鴻溝（即“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題）日益突出。采用硅通孔(TSV)技術(shù)的高帶寬存儲(chǔ)器(HBM)是業(yè)界給出的一個(gè)可選解決方案，但其每數(shù)據(jù)管腳的工作頻率仍然較高(約4Gbps)，存在功耗較大的缺點(diǎn)。比如HBM采用了x10um級(jí)微凸塊(Micro-Bump)堆疊DRAM，其數(shù)據(jù)IO數(shù)量有限且寄生電容和功耗較大，進(jìn)而限制了帶寬的增加。 西安紫光國(guó)芯依托多年對(duì)存儲(chǔ)器和ASIC體系結(jié)構(gòu)的深入研究，開(kāi)發(fā)完成了異質(zhì)集成嵌入式DRAM平臺(tái)（SeDRAM），提供了業(yè)界最高的單位帶寬和能效，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了完全兼容國(guó)際JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的的4Gbit LPDDR4芯片。

圖1. SeDRAM技術(shù)流程示意圖 紫光國(guó)芯在論文中介紹了SeDRAM平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)流程（如圖1）：首先，流片生產(chǎn)不同工藝下的DRAM存儲(chǔ)晶圓（DRAM Wafer）和搭載有外圍電路的邏輯晶圓（Logic Wafer），并通過(guò)平坦化、曝光和刻蝕等異質(zhì)集成工藝，在兩張晶圓上分別制成用于后續(xù)步驟的接觸孔（LTVIA和LBVIA）；然后，將邏輯晶圓翻轉(zhuǎn)，通過(guò) Cu-Cu 互連的方式，將兩張晶圓直接鍵合；最后，將邏輯晶圓減薄至約3um厚度，并從邏輯晶圓背面開(kāi)口完成PAD制作。 相比于HBM的微凸塊(MicroBump)工藝，通過(guò)直接鍵合方式的異質(zhì)集成工藝，接觸孔可達(dá)110,000個(gè)/mm2，實(shí)現(xiàn)了百倍量級(jí)的密度提升，而且連接電阻低至0.5歐姆。從而實(shí)現(xiàn)了從邏輯電路到存儲(chǔ)陣列之間每Gbit高達(dá)34GB/s的帶寬和0.88pJ/bit的能效。

圖2. 采用SeDRAM技術(shù)開(kāi)發(fā)的4Gb LPDDR4產(chǎn)品的晶圓（左）和版圖（右） 紫光國(guó)芯開(kāi)發(fā)的4Gbit LPDDR4是業(yè)內(nèi)首款異質(zhì)集成的標(biāo)準(zhǔn)接口DRAM產(chǎn)品（如圖2）。該產(chǎn)品為雙通道，數(shù)據(jù)位寬X16，在每顆芯片中集成超過(guò)64,000個(gè)異質(zhì)集成接觸孔。在晶圓測(cè)試階段，該產(chǎn)品表現(xiàn)出優(yōu)異性能，讀取時(shí)間超過(guò)測(cè)試機(jī)臺(tái)能支持的最快時(shí)鐘周期0.56ns。在顆粒測(cè)試階段，該產(chǎn)品在包括高溫（95℃），高壓（VDD2=1.2v, VDD1=2v）以及低壓（VDD2=1.05v, VDD1=1.65v）在內(nèi)的多個(gè)測(cè)試條件下，通過(guò)了業(yè)界最高水平4266Mbps數(shù)據(jù)率的測(cè)試。該產(chǎn)品在高溫測(cè)試條件下，保持時(shí)間達(dá)到96ms，與同等DRAM工藝下的傳統(tǒng)平面產(chǎn)品相比更具優(yōu)勢(shì)。

圖3. 4Gb LPDDR4產(chǎn)品的讀取時(shí)間測(cè)試結(jié)果（左）和數(shù)據(jù)保持時(shí)間測(cè)試結(jié)果（右） 感謝武漢新芯和臺(tái)灣力積電分別支持邏輯芯片及異質(zhì)集成、和存儲(chǔ)芯片代工合作，論文得以在IEDM 2020順利發(fā)表，這是紫光國(guó)芯在超高帶寬、超低功耗DRAM方向技術(shù)積累和持續(xù)創(chuàng)新的最新突破。通過(guò)4Gbit LPDDR4產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，SeDRAM平臺(tái)不僅為傳統(tǒng)DRAM產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了新路徑，更為人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）等領(lǐng)域的高帶寬、高能效需求提供了有效解決方案。

原文標(biāo)題：西安紫光國(guó)芯在IEDM 2020發(fā)表 異質(zhì)集成嵌入式DRAM（SeDRAM）論文

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