news 2025/12/25 17:49:24

【IC】3D DRAM堆叠的互连方式

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张小明

前端开发工程师

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【IC】3D DRAM堆叠的互连方式

如果要在芯片上垂直堆叠 DRAM(3D DRAM / 3D-IC),传统的 SerDes 或 DDR 物理层都太“重”了

在这种极度紧密(几微米间距)的垂直互连中,最佳选择只有两条路:UCIe-3D私有超宽并行总线

1. 首选方案:UCIe-3D (标准路线)

如果你希望你的 3D 堆叠方案具有通用性(比如你的 GPU 可以叠长鑫的 DRAM,也可以叠其他厂的),那么UCIe-3D是目前唯一的标准答案。

  • 物理层特点

    • 极高密度:专门针对Hybrid Bonding (混合键合)优化,凸点间距 (Bump Pitch) 可以做到< 10μm。这意味着每平方毫米可以有 10,000+ 个连接点。
    • 极简电路:因为距离只有几微米,几乎不需要驱动能力。发送端甚至就是一个简单的反相器 (Inverter),接收端也是。
    • 极低功耗:功耗可以低至0.1 pJ/bit以下,几乎可以忽略不计。
    • 时钟:采用同步时钟(直接把时钟信号垂直打上去),不需要 CDR,不需要训练,甚至不需要复杂的对齐。
  • 优势:生态好,未来 DRAM 厂商可能会直接卖“支持 UCIe-3D 的 DRAM 晶圆”。

2. 激进方案:私有超宽并行总线 (Proprietary Ultra-Wide Bus)

如果你是像苹果、华为、特斯拉这样自己全包圆(自己设计 GPU,自己找代工,自己定制 DRAM)的厂商,你完全可以抛弃标准,做一个极致的私有接口

  • 设计思路把 DRAM 的内部总线直接暴露给逻辑芯片

    • 普通 DRAM 内部其实有几千位宽的数据通路(比如 4096 bit),但为了通过有限的引脚传出来,不得不做并转串(Serializer)。
    • 在 3D 堆叠中,你可以直接把这 4096 根线垂直打穿连接到下方的 GPU 上。
    • 物理层纯导线。除了简单的 ESD 保护和电平转换外,几乎没有任何物理层电路。逻辑芯片直接读写 DRAM 的 Capacitor Array(电容阵列)。
  • 案例

    • Graphcore IPU的 WoW 方案就是类似的思路。
    • AMD 3D V-Cache:虽然它是 SRAM 堆叠,但原理一样。它没有用复杂的 PHY,而是直接把 L3 Cache 的数据线垂直连下来。

3. 为什么不用 DDR 或 HBM 的 PHY?

因为太浪费了

  • 面积浪费:DDR/HBM 的 PHY 包含了大量的 IO Pad、ESD 保护、驱动器、端接电阻。这些东西在 3D 堆叠中都是累赘,占用的硅片面积可能比数据线本身还大。
  • 延迟浪费:经过 PHY 就意味着要有序列化、编码、解码。对于 3D 堆叠这种“零距离”接触,最好的 PHY 就是没有 PHY(直连)。

总结建议

  • 如果为了 Workaround (短期救急)
    • 可能会采用UCIe-3D或者类 UCIe 的简化版协议。因为这样可以复用现有的 Chiplet IP,研发周期短。
  • 如果为了追求极致性能 (长期布局)
    • 会走向“无 PHY 直连”。即逻辑芯片的控制器直接驱动上层 DRAM 的存储单元,把两颗芯片当成一颗芯片来设计。这需要极强的协同设计 (Co-Design) 能力。
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