Speicher-Technologie Hybrid Memory Cube von Micron – für Hochleistungs-Computeranwendungen

Der Hybrid Memory Cube (HMC) von Micron geht eine der größten Herausforderungen der Computertechnik von heute an: die Skalierung der Speicherwand.

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Bisher konnten Speicherarchitekturen nicht mit den Anforderungen von Multicore-Prozessoren mithalten. Zusätzlich halten die Systemdesigner nach neuen Speicher-Systemdesigns Ausschau, welche die erhöhten Anforderungen in punkto Bandbreite, Speicherdichte, Verlustleistung und Wirkungsgrad unterstützen; dies gilt für Entwickler über eine breite Applikationspalette hinweg. Bei HMC (Hybrid Memory Cube) handelt es sich um eine Lösung mit direkt übereinander gestapelten Chips, welche die Welt zu einer komplett neuen Kategorie von Speichern öffnet.

HMC ist ein Durchbruch in der Branche, denn die Technik verwendet TSV-Kontaktierungen (Through-Silicon Via), um Hochleistungslogik mit den DRAM-Chips von Micron zu kombinieren. Die TSVs sind vertikale Verteilerröhren, die für die elektrische Verbindung eines aus mehreren Chips bestehenden Stapels sorgen. Damit ist HMC in der Lage, Bandbreiten und Wirkungsgrade zu liefern, die jenseits der Fähigkeiten herkömmlicher Bausteine liegen.

So ist HMC bis zu 15-mal schneller als ein DDR3-Modul, während gleichzeitig ein um 90% geringerer Raumbedarf und dabei 70% weniger Energie zum Transport der Daten benötigt wird. HMC wird in Punkt-zu-Punkt-Konfigurationen eng an CPUs, GPUs und ASICs gekoppelt sein, um so eine optimale Speicherbandbreite zu erzielen. Zusätzliche Implementierungen werden in Systemen auftreten, die HMC für eine Verbesserung der Packungsdichte verwenden – ähnlich wie bei den herkömmlichen DDR-Speicher-Implementierungen.

HMC-Konsortium und Förderer

HMC ermöglicht eine Skalierung der Speicherdichte und der Verarbeitungsleistung hin zu Werten, die jenseits von dem liegen, was mit DDR3 und DDR4 möglich ist. Die Technik ermöglicht es der Netzwerk-System-Performance auch, mit den Herausforderungen fertig zu werden, die sich durch das Wachstum der neuen 100G- und 400G-Infrastruktur ergeben, während sie gleichzeitig die System-Performance von Supercomputer-CPUs für die HPC-Systeme der nächsten Generation vorantreibt.

Nach Meinung der Marktforscher des französischen Unternehmens Yole Développement werden 3D-Halbleiter auf TSV-Basis im Jahr 2017 ein Marktvolumen von 40 Milliarden US-$ aufweisen und damit einen Anteil von 10% am weltweiten Gesamt-Halbleitermarkt haben.

Um die weltweite Akzeptanz der HMC-Technologie voranzutreiben hat Micron im Oktober 2011 mit einer Gruppe von Branchenführern das HMC Consortium (HMCC) gegründet, um eine Übereinkunft auf breiter Basis bei den Standards für eine HMC-Schnittstelle voranzutreiben. Zu diesen acht Unternehmen – Altera, ARM, IBM, SK Hynix, Micron, Open-Silicon, Samsung und Xilinx – gesellten sich mittlerweile mehr als 110 „Consortium Adopters“ (Unternehmen, die den Standard ebenfalls akzeptieren beziehungsweise fördern ), um gemeinsam an dem Standard zu arbeiten, der am 2. April 2013 verabschiedet und in seinen Details an die Öffentlichkeit gebracht wurde.

Weitere Erhöhung der Datenraten zum Ziel

Die Spezifikation stellt fortschrittliche Zwischenverbindungen (Interconnections) für Kurzstrecken (SR: short-reach) und Ultrakurzstrecken (USR: ultra short-reach) über die physikalischen Schichten (PHYs) hinweg zur Verfügung, damit Applikationen diese Interconnections nutzen können, die Speicher-Unterstützung für FPGAs, ASICs und ASSPs benötigen – beispielsweise in den Bereich Hochleistungs-Netzwerktechnik, Messen und Testen etc. Die HMC-Spezifikation ist im Internet unter www.hybridmemorycube.org zu finden.

Das nächste Ziel des Konsortiums besteht darin, die Standards zur Erhöhung der Datenraten von 10 und 12,5 GBit/s auf 28 GBit/s für SR sowie von 10 auf 15 GBit/s bei USR voranzubringen. Voraussichtlich im ersten Quartal 2014 wird sich das Konsortium auf die Spezifikation der nächsten Generation einigen. Micron plant, im Jahr 2014 mit der Volumenfertigung von HMC-Produkten zu beginnen.

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