Integrierte Kühlung für 3D-Chips: Wärmeabfuhr bei hochintegrierten Halbleitern

Diese Komponenten bestehen aus einem Material, das elektrisch isolierend, aber thermisch leitfähig ist. Sie schaffen einen zusätzlichen Pfad für die Wärmeabfuhr direkt vom High-Bandwidth Memory (HBM)-Package.

Kangwook Lee, Senior Vice President und Leiter der Verpackungsentwicklung bei SK hynix, betonte die Bedeutung dieser Entwicklung für das Thermomanagement. Er bezeichnete iHBM als optimale Lösung, die das Know-how des Unternehmens im Speicherdesign mit fortschrittlichen Verpackungstechnologien verbindet.

Hintergrund für diese Innovation ist die zunehmende thermische Belastung moderner Speicherchips. Ein HBM besteht aus mehreren DRAM-Dies, die in einer 3D-Anordnung vertikal gestapelt sind. Diese Stapelung verkürzt die Leiterbahnängen, steigert die Datengeschwindigkeit, senkt die Latenz und reduziert den Stromverbrauch.

Technischer Hintergrund

Aufgrund dieser Vorteile werden HBMs vor allem in KI-Servern eingesetzt. Die Technologie hat sich durch verschiedene Generationen weiterentwickelt, über HBM2, HBM2E, HBM3 und HBM3E bis hin zu HBM4. Um die wachsende Nachfrage nach KI-Datenverarbeitung zu bedienen, werden die Stapelungen höher und die Geschwindigkeiten größer.

Beide Faktoren erhöhen gleichzeitig die thermische Belastung des Pakets. Ein entscheidender Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit der nächsten Generation ist dabei die Steuerung der thermischen Leistungsdichte an der Schnittstelle zwischen dem HBM und der Grafikverarbeitungseinheit (GPU).

Dieser Bereich, auch als Die-to-Die-Physikalische Schicht (D2D PHY) bekannt, weist die höchste Wärmekonzentration auf. SK hynix hat mit der iHBM-Lösung einen strukturellen Ansatz gewählt, um dieses Problem zu lösen.

Während bestehende HBM-Produkte meist auf eine

Während bestehende HBM-Produkte meist auf eine indirekte Kühlmethode setzen, bei der Wärme über das Core-Die abgeführt wird, platziert die neue Technologie die ICEs gezielt über dem D2D-PHY-Bereich. Dies eröffnet einen direkten zusätzlichen Wärmeableitpfad und verringert die thermische Belastung signifikant.

Die Strategie senkt den thermischen Widerstand um 30 Prozent und ermöglicht es den Chips, auch unter extremen Bedingungen mit hohen Temperaturen und Drücken stabil zu arbeiten. Das Unternehmen verfügt bereits über die Kapazitäten für die industrielle Serienproduktion, um eine stabile Hochvolumenproduktion ährleisten.

Die Fertigung erfolgt voraussichtlich im Fabrikstandort Cheongju (M15X). Die Lösungen basieren auf dem Wafer-Level-Packaging-Prozess (WLP), der auf der Mass-Reflow-Molded-Underfill-Technologie (MR-MUF) aufbaut. Diese Technologie ermöglicht das Stapeln üssigen Schutzmaterialien zwischen den Chips, um die Schaltungen zu schützen.

Die iHBM-Lösung zeichnet sich zudem durch

Die iHBM-Lösung zeichnet sich zudem durch eine hohe Design-Kompatibilität mit bestehenden System-in-Package (SiP)-Architekturen aus. Dies erlaubt die Einführung der neuen Kühltechnik mit minimalen Anpassungen an den Systemdesign. Das iHBM ist für den Einsatz in zukünftigen HBM-Produkten, wie dem kommenden HBM5, vorgesehen.

Das langfristige Ziel, die Stabilität und Betriebseffizienz, indem es die Anforderungen an die Wärmebewirtschaftung in Hochdichte- und Hochbandbreiten-Umgebungen erfüllt. Neben der iHBM-Technologie verfolgt SK hynix eine proaktive Forschungs- und Entwicklungsstrategie für Speichertechnologien der nächsten Generation mit hoher Bandbreite.

Dazu gehören unter anderem High Bandwidth Flash (HBF) und Processing-In-Memory (PIM). HBF ist ein aufstrebender Speicherschicht, der sich funktionell zwischen HBM und Solid-State Drive (SSD) einordnet.

Technischer Hintergrund

Er kombiniert die Bandbreitenmerkmale der HBM-Klasse mit der hohen Speicherdichte die Skalierbarkeit sowie die Energieeffizienz der gesamten KI-Infrastruktur verbessern. PIM stellt eine Architektur der nächsten Generation dar, bei der die Verarbeitungslogik direkt in den Speicherchip integriert wird.

Durch diesen Ansatz wird der traditionelle von-Neumann-Flaschenhals zwischen Speicher und Prozessor eliminiert. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der Bandbreiteneffizienz und des Energieverbrauchs.

SK hynix nimmt im HBM-Segment bereits eine dominante Wettbewerbsposition ein und setzt mit diesen Innovationen die Weiterentwicklung der Speicherlandschaft fort.