Současné HBM paměti při vrstvení používají technologii microbumps, což si můžete představit jako zmenšené rozhraní BGA. Jde zkrátka o malé kuličky pájky, které jsou mezi jednotlivými křemíkovými vrstvami. Jde sice o nízkou, nikoli však nulovou vzdálenost mezi jednotlivými vrstvami. Navíc tato technologie mezi vrstvami zanechává vrstvičku vzduchu, což se řeší organickou výplní. Ta sice (oproti vzduchu) zlepší přechod tepla mezi vrstvami, ale oproti křemíku jde stále o izolant, který navíc může vykazovat parazitní odpor.

AMD zjistila, že náhradou tohoto rozhraní za tzv. hybrid bonding by měla energetická efektivita výsledného řešení stoupnout až 17× - teoreticky. I kdyby se v praxi potvrdil nižší nárůst, stále by šlo o tak významný posun, že se mu vyplatí věnovat pozornost.

Hybrid bonding je technologie, která spojuje křemík přímo, bez mezer. Jednotlivé prvky jsou prakticky dokonale vyleštěné, aby měděné prvky v křemíku při kontaktu dokonale dosedaly. Při tomto kontaktu již dochází k samovolnému vzniku spoje, který je následně posílen zahřátím na vyšší teplotu. Pro paměťové struktury však mohou být vyšší teploty problematické, což je důvodem, proč se tzv. hybrid bonding 3D RAM neobjeví na trhu třeba již letos před Vánoci. Na druhé straně nejde o nepřekonatelný problém a již nyní existují technologie, jak ho řešit a objevují se další, jak ho obejít.

Hybrid bonding Cu-Cu ve variantě vyvinuté AMD s TSMC pro Zen 3 (AMD)

AMD používá hybrid bonding od éry Zen 3, kde se objevil na serverových procesorech Milan-X a v desktopu na herním Ryzenu 7 5800X3D, jehož popularita znovu stoupla, takže se dočkal návratu do výroby. První Zen 3 s V-cache ukázala AMD na CES 2021, přičemž je známo, že se s touto technologií počítalo od začátku příprav Zen 3. Společnost má s tímto způsobem spojování zkušenosti z výroby trvající minimálně šest let, pracuje na ní ale podstatně déle. Vychází ale z verze využívající k fixaci spojů vyšších teplot.

• Výrobu Ryzen 7 5800X3D nestačilo prostě znovu spustit, původní linky už zanikly

V kontextu pamětí je ale potřeba výrobní proces upravit. Nemusí jít o zásadní problém: Například Sony, která technologii jako takovou nasadila jako první* (v segmentu obrazových snímačů), ji využívá již dekádu.

* Prvním komerčně dostupným produktem byl snímač Sony IMX260 v roce 2016, ale historie samotné technologie sahá ještě dál. Sony si ji licencovala od společnosti Ziptronix v roce 2015, již v roce 2011 využívala technologii ZiBond od téhož autora a ten představil DBI (Direct Bond Interconnect), předchůdce dnešního Cu–Cu hybrid bondingu, již v roce 2005. Následnými akvizicemi a začleňováním do mateřských firem se (stručně řečeno) ze Ziptronixu stala Tessera, z té Invensas a z toho Xperi. V kontextu snímačů tedy můžete narazit na všechna tato čtyři jména, ale z historického a technologického hlediska jde o jeden pokračující subjekt.

Podstatné v tomto kontextu je, že technologie Ziptronix / Tessera / Invensas / Xperi, na které snímače Sony stojí, je tzv. low-temperature hybrid bonding, tedy postup, který pro vytvoření spojů nevyžaduje vysoké teploty. To dokládá, že nízkoteplotní řešení je zvládnutelné, zvládnuté a dokazuje, že jej lze úspěšně používat v komerční sériové výrobě. Jde jen o to přijít s řešením, které se bude hodit pro nasazení v paměťovém segmentu.

Na tom už různé firmy a značky nezávisle na sobě pracují. Stojí za zmínku i to, že přístupy jsou různé. Některé se primárně snaží vyvinout metody, kterým po vytvoření trvanlivého spoje stačí cca 200 °C nebo méně (které paměťové struktury s rezervou nepoškodí), jiné jdou technologii naproti hledáním materiálů a výrobních metod, aby spojovaným pamětem nevadila ani teplota zhruba mezi 200-300 °C.

• CXMT zahájila rizikovou výrobu HBM3e. Přechod do sériové výroby může být rychlý
• AI servery letos překonají klasické servery 2×, podíl Intelu do 2030 nestoupne

Ať už se technologie nakonec budou ubírat jedním nebo druhým směrem, vypadá to, že technologie hybrid bonding, která využívá spojů bez pájky a bez mezer, se z původního segmentu obrazových snímačů (řádově maximálně jednotky wattů) přes segment x86 procesorů řádově desítky až stovky wattů) nejspíš rozšíří do high-endových pamětí, se kterými se dostane do AI akcelerátorů, které již dosahují řádu tisíců wattů (byť ty se netýkají přímo spojů v pamětech). Adekvátně tomu musí být řešena i odolnost vysokým teplotám, bez které se hardware v tomto segmentu neobejde (stejné čipy se používají pro vzduchem i vodou chlazená řešení).