VRAM HBM2

VRAM HBM2 to druga generacja tej technologii pamięci wideo, oferująca jeszcze wyższą przepustowość.

Architektura i fizyczna budowa pamięci warstwowej

Technologia HBM2 (High Bandwidth Memory 2), ustandaryzowana przez organizację JEDEC pod sygnaturą JESD235, stanowi fundamentalną zmianę w metodologii projektowania i integracji podsystemów pamięci wideo. W odróżnieniu od klasycznych standardów z rodziny GDDR, w których obudowy FBGA układów scalonych lutowane są bezpośrednio do głównego laminatu płyty (PCB) w odpowiedniej odległości wokół rdzenia GPU, pamięć HBM2 wykorzystuje zaawansowaną architekturę pakowania typu 2.5D. Zamiast płaskiego rozmieszczenia, pojedyncze matryce pamięciowe organizuje się w formę pionowego stosu. Stos ten w standardzie HBM2 składa się najczęściej z dwóch, czterech lub ośmiu warstw krzemu z układami DRAM, nałożonych bezpośrednio jedna na drugą. Zamiast wyprowadzać sygnały po krawędziach matrycy, komunikacja elektryczna pomiędzy warstwami realizowana jest za pomocą przelotek TSV (Through-Silicon Vias). Są to mikroskopijne, pionowe otwory wydrążone w strukturze krzemowej kości, które zostają wypełnione materiałem przewodzącym, z reguły miedzią. Taka topologia maksymalnie skraca drogę sygnału i umożliwia przesyłanie napięć oraz danych pionowo, na przestrzeni ułamków milimetra, co zmniejsza rezystancję i pojemność pasożytniczą układu.

Kluczowym komponentem warunkującym poprawne działanie pamięci HBM2 jest krzemowy interposer. Pełni on funkcję sprzętowego mostu komunikacyjnego. Jest to cienka, pasywna warstwa krzemu umieszczona pod rdzeniem procesora graficznego oraz stosami pamięci HBM2. Pod interposerem znajduje się organiczny substrat z kulkami BGA, który ostatecznie jest lutowany do głównej płyty drukowanej komputera. Interposer zawiera wielowarstwową sieć mikroskopijnych ścieżek sygnałowych (routing layer) o gęstości niemożliwej do osiągnięcia na standardowym laminacie szklano-epoksydowym. Tysiące linii transmisyjnych łączy kontroler pamięci w procesorze ze stosami HBM2 na dystansie zaledwie kilku milimetrów. Zastosowanie interposera redukuje opóźnienia sprzętowe (RC delay) i minimalizuje straty energetyczne podczas transmisji sygnałów. Gotowy moduł, w którym rdzeń GPU, stosy pamięci oraz interposer są zintegrowane i zabezpieczone specjalistyczną żywicą termoutwardzalną (underfill), tworzy ostatecznie zwarty pakiet instalowany na PCB urządzenia docelowego.

Analiza parametrów transmisyjnych i zestawienie z modułami GDDR

Przewaga wydajnościowa konstrukcji HBM2 w stosunku do technologii GDDR5, GDDR6 czy GDDR6X opiera się na szerokości dostępnej magistrali danych i sposobie taktowania sygnału. Pojedynczy układ pamięci GDDR komunikuje się z kontrolerem wykorzystując interfejs 32-bitowy. Zbudowanie szerokiej szyny, na przykład 256-bitowej lub 384-bitowej, wymaga fizycznego rozmieszczenia od ośmiu do dwunastu oddzielnych kości na laminacie karty, z których każda musi pracować z taktowaniem rzędu kilkunastu gigabitów na sekundę na pojedynczy pin. HBM2 rozwiązuje wyzwanie przepustowości przez bardzo wysoki stopień równoległości transmisji. Pojedynczy stos pamięci dysponuje interfejsem o szerokości 1024 bitów, realizowanym przez osiem niezależnych kanałów po 128 bitów każdy. W układzie graficznym wyposażonym w cztery takie stosy, całkowita szerokość szyny danych wynosi 4096 bitów. Przy tak szerokim dostępie, pojedyncza linia danych HBM2 przesyła sygnał ze znacznie niższym transferem niż w pamięciach GDDR, zazwyczaj rzędu 1,0-2,4 Gb/s na pin, a sumaryczna przepustowość jednego stosu wynosi od 256 GB/s do ponad 300 GB/s. Utrzymanie niskiego taktowania zmniejsza napięcie potrzebne do poprawnej pracy sprzętowych sterowników wejścia-wyjścia, co bezpośrednio poprawia efektywność energetyczną układu, wyrażaną w ilości zużytej energii na każdy przesłany bit informacji.

Pamięć HBM2 została zaprojektowana z myślą o środowiskach High Performance Computing (HPC) oraz sprzęcie instalowanym w centrach danych. Technologia ta została jednak wdrożona w wybranych urządzeniach konsumenckich w pewnym okresie ich produkcji. Na rynku komputerów stacjonarnych HBM2 zaimplementowano w kartach graficznych AMD Radeon, takich jak modele RX Vega 56, Vega 64 oraz Radeon VII. Z kolei w segmencie komputerów przenośnych stworzono wielochipowe moduły Intel Kaby Lake-G. Na wspólnym podłożu zintegrowano jednostkę centralną Intel Core, rdzeń graficzny AMD Radeon RX Vega M oraz dedykowany stos HBM2. Umożliwiło to inżynierom konstruowanie smukłych laptopów z układem graficznym zapewniającym wysoką przepustowość pamięci. Koszty produkcji krzemowych interposerów oraz bardzo skomplikowany proces montażu 2.5D sprawiły, że zintegrowane układy pamięci wycofały się z powszechnych konstrukcji komputerów osobistych. W zamian projektanci powrócili do standardu GDDR6, co sprawia, że komponenty bazujące na architekturze HBM2 to dziś niemal wyłącznie specjalistyczny sprzęt analityczny, układy serwerowe oraz sprzętowe akceleratory AI. Urządzenia domowe wyposażone w tę technologię stanowią dziś bardzo niszową część sprzętu trafiającego na stoły techników komputerowych.

Specyfika usterek i termomechaniczna degradacja połączeń

Budowa wewnętrzna urządzeń wykorzystujących pakiety HBM2 wprowadza dodatkowe wektory awarii, które nie występują w typowych płytach z układami GDDR. W klasycznej architekturze sprzętu osobistego kości pamięci rozmieszczone są na laminacie poza układem graficznym. Każdy z elementów nagrzewa się z inną dynamiką i w dużej mierze samodzielnie wymienia ciepło z radiatorem lub systemem chłodzenia. W przypadku modeli 2.5D, na wspólnym, niewielkim podłożu interposera znajdują się struktury GPU oraz HBM2, które generują znaczne ilości ciepła odbierane przez pojedynczy blok. Konstrukcja poddawana jest oddziaływaniu różnych współczynników rozszerzalności cieplnej wykorzystanych materiałów, na czele z krzemem, stopami cyny, kompozytami żywicznymi oraz miedzią. Setki nagłych zmian temperatur wywołują zmienne naprężenia termomechaniczne podczas naturalnych cykli włączania, długotrwałego obciążenia sprzętowego oraz stygnięcia komponentów. To ciągłe obciążenie materiałowe skutkuje procesem powolnego pękania najcieńszych ścieżek na poziomie interposera, mechanicznego zrywania delikatnych warstw spoin TSV wewnątrz samej struktury, oraz systematyczną degeneracją połączeń bezołowiowych w obudowach BGA łączących pakiet.

Awaria układu scalonego wykorzystującego technologię HBM2 generuje błędy pokrywające się symptomami ze standardowymi usterkami graficznymi. Najważniejszym objawem jest przekłamanie parametrów wizyjnych. Zależnie od warstwy, która utraciła odpowiednią rezystancję połączenia, dochodzi do generowania widocznych linii błędu, zamarzania dynamicznych tekstur w środowiskach 3D czy nieregularnego renderowania obrazu. Oprogramowanie systemowe zwraca liczne konflikty przerwaniowe widoczne przez środowisko Windows w postaci utraty sterownika i awaryjnego zablokowania urządzenia (popularny kod 43). Należy zauważyć, że pierwsza generacja sprzętu z zintegrowaną pamięcią cechowała się niedoskonałym poziomowaniem matryc pamięciowych względem rdzenia procesora. Ułamkowe odchylenia w profilu żywicy scalającej skutkowały problemami z równomiernym dociskiem chłodzenia. Prowadziło to do powstania niechłodzonych mikroobszarów nazywanych hotspotami, które w drastycznym tempie osłabiały stabilność krzemu i powodowały natychmiastowe zgaszenie obrazu pod obciążeniem graficznym ze względu na zadziałanie układu zabezpieczenia termicznego.

Weryfikacja usterek i ograniczenia procedur serwisowych

Procedury weryfikacyjne uszkodzonych elementów architektury 2.5D stanowią duże wyzwanie sprzętowe. Serwisowanie klasycznego sprzętu osobistego umożliwia technikom użycie stacji lutowniczej IR w celu punktowego wylutowania i szybkiej diagnozy wyłącznie jednej, podejrzanej o wadliwe działanie, kostki VRAM. Architektura HBM2 eliminuje możliwość izolacji awarii konkretnego segmentu pamięciowego. Cała macierz styków komunikacyjnych zalana jest warstwą twardego polimeru ochronnego i nałożona na wysoce czuły interposer podłączony wprost pod rdzeń graficzny. Wykonanie operacji wymiany pojedynczego elementu na tym poziomie w warsztacie sprzętowym oznacza nieuniknione i natychmiastowe rozdarcie układu ścieżek, prowadząc do fizycznego przełamania całego krzemu i dyskwalifikacji naprawianego urządzenia. Procedury te możliwe są jedynie w warunkach technologicznych zarezerwowanych dla procesu fabrycznego.

Komputery osobiste bądź płyty główne laptopów wykazujące zaniki sprawności HBM2 wymagają od specjalistów dokładnej diagnostyki potwierdzającej spójność napięć w obwodach zasilania oraz wykluczenia przerw sygnałowych głównych magistrali. Jeżeli wykonana ekspertyza wskaże defekt powłoki lutowniczej wyłącznie pomiędzy płytą laminatu komputera a dolnym substratem procesora graficznego, rozwiązaniem technologicznym może okazać się operacja reballingu BGA. Jako jednostka wyspecjalizowana w naprawach tego typu urządzeń, Warszawskie Pogotowie Komputerowe ocenia uszkodzenia i przeprowadza wymianę struktury spoiwa poprzez ostrożne wylutowanie całościowego układu, naniesienie znormalizowanej warstwy kulek lutowniczych oraz precyzyjne osadzenie układu zgodne z jego docelowym profilem cieplnym. Należy pamiętać, że rozwiązanie to dotyczy wyłącznie rzadszych układów ze sprzętu powszechnego, np. konstrukcji serii Kaby Lake-G, a skutkuje powodzeniem, o ile pęknięcie fizycznie nie objęło samego wewnątrzpakietowego interposera lub złączy TSV. Próba przeniesienia doświadczenia i napraw systemów opartych na HBM2 stosowanych w infrastrukturze serwerowej całkowicie przekracza zakres serwisu komputerów docelowych. Wsparcie środowiska enterprise należy realizować kanałem biznesowym, na podstawie umów wsparcia infrastruktury u samego dostawcy lub autoryzowanych integratów sieciowych o profilu zaawansowanych systemów korporacyjnych.