تدفع متطلبات الأداء المتزايدة لمعالجات الذكاء الاصطناعي معماريات الذاكرة التقليدية إلى الاقتراب من حدودها من حيث عرض النطاق الترددي واستهلاك الطاقة. وفي خريطة الطريق التي عرضها Sangwook Han من فريق التصميم في وحدة أعمال الذاكرة لدى Samsung، تبرز إعادة تصميم الطبقة الأساسية لـ HBM باستخدام عمليات منطقية متقدمة. وتهدف الشركة من خلال هذا النهج إلى معالجة اختناقات الذاكرة عبر تحويل الطبقة الأساسية، التي تؤدي مهام الواجهة القياسية، إلى مكوّن معالجة فعّال.
تتكون استراتيجية Samsung من ثلاث مراحل أساسية. تركز المرحلة الأولى على استعادة مساحة المعالج. ومن خلال نقل وحدة التحكم في الذاكرة إلى الطبقة الأساسية واستخدام تصاميم مدمجة للطبقة المادية، يتحقق توفير في مساحة المعالج الرئيسي بنسبة تتراوح بين 5 و10 بالمئة. وينعكس ذلك على الأداء في صورة زيادة تتراوح بين 10 و20 بالمئة. كما تقلل تقنية كتلة المسار الحراري، المطورة للتحكم في النقاط الحرارية الساخنة، درجات الحرارة القصوى بأكثر من 35 بالمئة.
تركز المرحلة الثانية على توسيع النطاق الوظيفي. وفي هذا الإطار، تُدمج في المعمارية مستشعرات متقدمة لاكتشاف الأعطال، وآليات اختبار على الشريحة، وميزات التوسعة المباشرة للذاكرة. وبذلك تُقلّل حركة البيانات إلى أدنى حد، كما ينخفض استهلاك الطاقة على مستوى النظام ككل. وفي المرحلة الثالثة والأخيرة، تنتقل Samsung إلى بنية التكامل الرأسي 3D المسماة zHBM. وتشكل إنجازات الإنتاج، التي تناولنا تفاصيلها في خبرنا عن تحقيق Samsung معدل كفاءة بنسبة 80 بالمئة في إنتاج ذاكرة HBM4، أساس بنية الطبقات المتقدمة هذه.
تُلغي تقنية zHBM الحاجة إلى الطبقة البينية السيليكونية التقليدية 2.5D بالكامل. ونظرًا إلى تكديس طبقات الذاكرة عموديًا مباشرة فوق وحدة معالجة الرسومات أو مسرّع الذكاء الاصطناعي، تُخفَّض مسافة نقل البيانات إلى الحد الأدنى. ووفقًا للبيانات التقنية للشركة، توفر zHBM عرض نطاق ترددي للذاكرة أعلى بنسبة 230 بالمئة مقارنةً بحلول HBM4E القياسية، مع خفض استهلاك طاقة الذاكرة بنسبة 70 بالمئة.
وتُخفّض هذه المعمارية الطاقة اللازمة لكل بت لنقل البيانات إلى مستوى 0.5 بيكوجول، كما توفر ما يصل إلى 100 Watt من توفير الطاقة في كل وحدة ذاكرة. وبفضل المكاسب الناتجة عن الكفاءة الحرارية والكهربائية، تتشكل ميزانية طاقة إضافية بنسبة 8.3 بالمئة للمعالج الرئيسي. وتواصل Samsung أعمالها على تقنيات التغليف المتقدمة، مثل wafer-on-wafer والربط بالمكعبات الهجينة، في إطار هدفها المتمثل في التكامل الرأسي.
معايير الجيل المقبل وزيادة السعة
في حلول HBM4 المستخدمة في القطاع، يتجاوز عرض النطاق الترددي لكل وحدة مستوى 3 TB/s، بينما يرتفع هذا الرقم في معيار HBM4E إلى حدود 4 TB/s. ومن المتوقع أن تتجاوز السعة 60 GB وأن يصل عرض النطاق الترددي إلى الضعف مع جيل HBM5. ويُعد استخدام Samsung لعمليات منطقية بدقة 4nm من خلال معمارية D1c في إنتاج HBM4 أول خطوة ملموسة نحو الدمج المتقدم لدوائر الذاكرة والدوائر المنطقية.