一文看懂TSV技术

从HBM存储器到3D NAND芯片，再到CoWoS，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2000年的第一个月，Santa Clara University的Sergey Savastiou教授在Solid State Technology期刊上发表了一篇名叫《Moore’s Law – the Z dimension》的文章。这篇文章最后一章的标题是Through-Silicon Vias，这是Through-Silicon Via这个名词首次在世界上亮相。这篇文章发表的时间点似乎也预示着在新的千禧年里，TSV注定将迎来它不凡的表演。

TSV示意图

TSV，是英文Through-Silicon Via的缩写，即是穿过硅基板的垂直电互连。

如果说Wire bonding（引线键合）和Flip-Chip（倒装焊）的Bumping（凸点）提供了芯片对外部的电互连，RDL(再布线)提供了芯片内部水平方向的电互连，那么TSV则提供了硅片内部垂直方向的电互连。作为唯一的垂直电互连技术，TSV是半导体先进封装最核心的技术之一。

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。