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Stacked Memory: Lecker, Stapelchips!

Größere SSDs, schnellere Grafikkarten und längere Akkulaufzeiten bei Smartphones: Speicherzellen oder DRAM-Chips, die wie die Etagen eines Hochhauses gestapelt werden, bieten viele Vorteile.

Artikel von veröffentlicht am
Vier gestapelte Dies eines Speicherchips für einen Hybrid Memory Cube
Vier gestapelte Dies eines Speicherchips für einen Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)

Prozessoren und Platinen sind ein bisschen wie Inseln: Der Platz ist begrenzt, die vorhandenen Bauteile müssen also immer weiter verkleinert werden, wenn ihre Anzahl steigen soll. Diesem Prinzip sind jedoch Grenzen gesetzt, denn Moore's Law neigt sich dem Ende zu. Eine Alternative gibt es schon heute: in die Höhe statt in die Breite bauen, Wolkenkratzer statt Mehrfamilienhaus, Pringles-Dose statt Chips-Schüssel sozusagen.

Intel, Samsung sowie TSMC haben diese Idee bereits umgesetzt: Statt mehr und mehr winzige Schaltungen nebeneinanderzuquetschen, lassen sie die Transistoren in die Höhe wachsen und schlanker werden. In der Branche ist diese Technik als FinFET bekannt. Prozessoren bestehen zudem aus mehreren miteinander verknüpften Schichten - eine Methode, die bei Bausteinen für SSDs und DRAM-Speicher erst kürzlich mit unterschiedlichen Methoden zur Marktreife gebracht wurde.

  • 3D-Stacking mit DRAM auf dem SoC und 2,5D-Stacking mit DRAM und SoC auf einem Interposer (Bild: AMD)
  • Samsung 850 Evo mit 1 TByte und 512 GByte (Bild: Anandtech)
  • Aus planaren Zellen werden mit 3D-NAND-Flash gestapelte Zylinder. (Bild: Samsung)
  • In der 850 Pro/Evo sind 32 Zellschichten gestapelt. (Bild: Samsung)
  • Ein 3D-NAND-Flash-Siliziumplättchen (Bild: Samsung)
  • Eine Radeon R9 290X mit 512 Bit Interface und 16 GDDR5-Bausteinen (Bild: Techpowerup)
  • Eine Core i7-4570R mit EDRAM auf dem gleichen Träger (Bild: iFixit)
  • Wire Bonding und Through Silicon Vias (Bild: AMD)
  • Through Silicon Vias im Detail (Bild: AMD)
  • Through Silicon Vias sind viel dünner als menschliche Haare. (Bild: AMD)
  • Die beiden bisherigen HBM-Generationen im Überblick (Bild: SK Hynix)
  • Die erste HBM-Generation im Vergleich mit DDR3 und GDDR5 (Bild: SK Hynix)
  • Die erste HBM-Generation besteht aus vier DRAM-Chips mit je zwei 128-Bit-Kanälen. (Bild: SK Hynix)
  • Mockup einer Platine ohne echten Pascal-Chip oder HBM (Bild: Nvidia)
  • Ein Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • Aufbau und Verbindung eines Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • 1-GBit-Dies eines Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • Die Logikschicht ist beim Hybrid Memory Cube obligatorisch. (Bild: Micron)
  • Die fünf Schichten eines Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • Knights Landing soll 2015 erscheinen. (Bild: Intel)
  • Knights Landing bietet 16 GByte HMC-Speicher mit 480 GByte/s. (Bild: Intel)
  • Ohne die kompakte Platine müsste der Akku kleiner sein. (Bild: iFixit)
  • Unter dem A7-Deckel sitzen ein DRAM-Chip und das SoC. (Bild: iFixit)
  • (LP)DDR4 und Stapelspeicher gehört die Zukunft. (Bild: Jedec)
  • Größenvergleich von DDR4 und HBM (Bild: SK Hynix)
Ein 3D-NAND-Flash-Siliziumplättchen (Bild: Samsung)

Denn das, was bei den meisten geöffneten SSDs wie ein einzelner Speicherchip aussieht, ist genauer betrachtet ein Stapel aus 2 bis 16 Siliziumplättchen (Die-Stacking). Jedes davon ist durch hauchdünne Drähte (Wire Bonding) mit dem Substrat genannten Trägermaterial verbunden. Da diese Art der Verbindung nur an den Außenkanten angebracht werden kann, ist ein sogenanntes Package oder Chipgehäuse mit vielen Flash-Siliziumplättchen vergleichsweise groß.

Das ist wichtig, denn die Fläche auf der Platine einer SSD ist begrenzt, vor allem bei Formfaktoren, wie sie in Notebooks verbaut werden: Auf eine Platine in M.2-Bauweise mit 80 mm Länge passen acht Chipgehäuse, SSDs im etwas älteren mSATA-Formfaktor bieten Platz für vier Packages und 42 mm kurze M.2-Platinen sind mit zwei Chipgehäusen ausgereizt.

  • 3D-Stacking mit DRAM auf dem SoC und 2,5D-Stacking mit DRAM und SoC auf einem Interposer (Bild: AMD)
  • Samsung 850 Evo mit 1 TByte und 512 GByte (Bild: Anandtech)
  • Aus planaren Zellen werden mit 3D-NAND-Flash gestapelte Zylinder. (Bild: Samsung)
  • In der 850 Pro/Evo sind 32 Zellschichten gestapelt. (Bild: Samsung)
  • Ein 3D-NAND-Flash-Siliziumplättchen (Bild: Samsung)
  • Eine Radeon R9 290X mit 512 Bit Interface und 16 GDDR5-Bausteinen (Bild: Techpowerup)
  • Eine Core i7-4570R mit EDRAM auf dem gleichen Träger (Bild: iFixit)
  • Wire Bonding und Through Silicon Vias (Bild: AMD)
  • Through Silicon Vias im Detail (Bild: AMD)
  • Through Silicon Vias sind viel dünner als menschliche Haare. (Bild: AMD)
  • Die beiden bisherigen HBM-Generationen im Überblick (Bild: SK Hynix)
  • Die erste HBM-Generation im Vergleich mit DDR3 und GDDR5 (Bild: SK Hynix)
  • Die erste HBM-Generation besteht aus vier DRAM-Chips mit je zwei 128-Bit-Kanälen. (Bild: SK Hynix)
  • Mockup einer Platine ohne echten Pascal-Chip oder HBM (Bild: Nvidia)
  • Ein Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • Aufbau und Verbindung eines Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • 1-GBit-Dies eines Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • Die Logikschicht ist beim Hybrid Memory Cube obligatorisch. (Bild: Micron)
  • Die fünf Schichten eines Hybrid Memory Cube (Bild: Micron)
  • Knights Landing soll 2015 erscheinen. (Bild: Intel)
  • Knights Landing bietet 16 GByte HMC-Speicher mit 480 GByte/s. (Bild: Intel)
  • Ohne die kompakte Platine müsste der Akku kleiner sein. (Bild: iFixit)
  • Unter dem A7-Deckel sitzen ein DRAM-Chip und das SoC. (Bild: iFixit)
  • (LP)DDR4 und Stapelspeicher gehört die Zukunft. (Bild: Jedec)
  • Größenvergleich von DDR4 und HBM (Bild: SK Hynix)
Samsung 850 Evo mit 1 TByte und 512 GByte (Bild: Anandtech)
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Das heutige Limit für eine SSD im üblichen 2,5-Zoll-Format liegt bei 16 Packages. Samsung allerdings nutzt den verfügbaren Platz bei der 850 Pro und der 850 Evo nicht aus, sondern verbaut eine kürzere und günstigere 1,8-Zoll-Platine.

Wie jedoch ist 1 TByte Kapazität mit nur acht Chipgehäusen möglich, ohne auf enorm teure Flash-Bausteine mit 256 GByte zurückzugreifen?

Geschichtete Speicherzylinder 
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Moosbuckel 23. Dez 2014

ebenfalls ein danke von mir

Anonymer Nutzer 19. Dez 2014

Soll er ruhig,wenn er dafür 4 Terabyte zwischenspeichern kann.^^

Dai 18. Dez 2014

Golem hat sich vielleicht etwas ungeschickt ausgedrückt im Grunde ist Hearthstone aber...

ms (Golem.de) 18. Dez 2014

Das Package-Substrat ist idR FR4, der Interposer drüber aus Silizium.

Ach 18. Dez 2014

Da kommt ja wieder sowas wie ne handfeste Aufbruchstimmung auf. Rein geometrisch gesehen...


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