HBMの3Dスタックアーキテクチャは、従来のメモリよりも16倍の帯域幅を実現します。
Lam Researchは、HBM製造装置で業界をリードしています。
Semi 101シリーズは、マイクロチップと半導体業界を理解するための初心者向けガイドです。部品からプロセス、関係者まで、あらゆる側面を網羅しています。
あらゆるAIのブレークスルーの背後には、目立たないながらも同様に重要な技術、高帯域幅メモリ（HBM）があります。グラフィックプロセッサユニット（GPU）が注目を集める一方で、HBMはこれらのプロセッサの動作に必要な膨大な量のデータを供給しています。
高帯域幅メモリ（HBM）とは？
HBMは、従来のメモリよりも低消費電力で高速なデータアクセスを実現する高度なメモリ技術です。データ移動のための2車線道路から複数車線の高速道路へのアップグレードと考えてみてください。
鍵となるイノベーションは、HBMの3Dスタックアーキテクチャです。 HBMは、メモリを平面に分散させるのではなく、複数の層を垂直に積み重ねます。現在のHBM3設計では、最大16層まで積み重ねることができます。これは、広大な平屋建ての建物ではなく、超高層ビルを建てるようなものです。同じフットプリントで、より短く高速なデータパスウェイにより、はるかに多くの容量を実現できます。
HBMはメモリの課題を克服するのに役立ちます
プロセッサが高速化するにつれて、データへのアクセス速度が制限されるケースが増えています。このボトルネックは、膨大なデータセットへの迅速なアクセスを必要とするAIワークロードにとって特に大きな問題となります。GPUがAIモデルをトレーニングする場合、数十億のデータポイントに常にアクセスする必要があります。メモリ遅延が発生すると、強力なプロセッサはアイドル状態になり、データを待機することになります。
HBMは、以下の方法でこの問題を解決します。
帯域幅を大幅に向上（HBM3は最大6.4 Gb/sの速度を実現）、
スタックアーキテクチャによるレイテンシの削減、
電力効率の向上、そして
スペースが限られたアプリケーションに不可欠なコンパクトなフォームファクタで構築されています。
HBMは高速データアクセスでAIをサポート
ChatGPTやビデオジェネレータなどの生成AIアプリケーションは、膨大な量のデータへの超高速アクセスを必要とします。従来のメモリでは到底追いつきません。HBMの高速アクセスは、これらの魔法のようなAI機能を可能にします。
数字が物語っています。HBMの需要は、2022年の1億2,300万ギガバイトから2027年には9億7,200万ギガバイトに増加すると予測されています。これは、主にAIの牽引力によるもので、約8倍の成長となります。
TSVが多層アーキテクチャを接続
HBMの魔法は3Dアーキテクチャにありますが、それを実現するには並外れたエンジニアリング上の課題を解決する必要があります。複数のメモリ層が垂直に積み重ねられますが、これらの層が単一の高速システムとして機能するためには、電気的接続が必要です。
層間の接続には、微細なシリコン貫通ビア（TSV）が使用されます。これは、各層を接続する極小の垂直配線です。これらのTSVは、非常に高い精度で配置する必要があります。製造プロセスでは、数百万もの微細な接続部が形成され、それぞれが完全に整列し、銅で充填されます。
ラムリサーチのHBM向け先進パッケージングソリューション
HBM製造に求められる精度は、これらの複雑なエンジニアリング課題を解決できる企業にビジネスチャンスをもたらします。ラムリサーチは、HBM製造、特に先進パッケージング分野に特化した装置の提供において業界をリードしており、ラムリサーチは市場リーダーです。
ラムリサーチのソリューションには、HBM3以降に必要な精度で微細なTSVホールを形成するSyndion®エッチングシステム、TSVホールを銅で充填し、電気接続用の材料層を形成するSABRE 3D®デポジションツール、複雑な3Dメモリアーキテクチャの組み立てを可能にする先進パッケージング機能などがあります。
HBM技術が将来の世代へと進化し、さらに多層化が進むにつれて、ラムリサーチは次世代TSV構造に必要な高精度の酸化膜ライナーを実現する原子層堆積（ALD）技術など、その能力を拡張し続けています。
例えば、Lam社のStriker® ALD製品は、数原子、つまり人間の髪の毛の約1/10,000の幅ほどの薄いフィルムコーティング層を生成できます。
ハイブリッドボンディングが将来のHBMワークフローでより重要になるにつれ、VECTOR DT™とDV-Primeは重要な役割を果たします。VECTOR DTによる裏面成膜は、ハイブリッドボンディングに必要な平坦で安定した表面を提供します。DV-Primeによる裏面薄化は、TSVアクセス、表面平坦性、高密度積層に必要なウェーハの均一性と厚さの一貫性を実現します。
さらに、Coronus® HPおよびDXベベル成膜およびエッチングツールは、ウェーハエッジから潜在的な欠陥や不要な材料を選択的に除去することで、接合を改善し、歩留まりを向上させます。Coronus DXは、ウェーハエッジに材料を堆積することでウェーハベベルを保護し、ベベルの再構築を支援してエッジボンディングを改善します。
AIとメモリの未来を加速させる
HBMは、コンピュータメモリ技術における根本的な転換を象徴しています。革新的な3Dスタッキングによって「メモリウォール」を解消することで、HBMは私たちの世界を変革するAIアプリケーションを実現します。
HBM革命はまだ始まったばかりです。2027年までに需要が約8倍に増加すると予想される中、精密製造技術を駆使できるLamのような企業が、次世代のAI機能を形作っていくでしょう。Lamの専用ツールは、メモリチップの製造にとどまらず、私たちがまだ想像もしていない画期的な技術の基盤を構築しています。
用語集
先進パッケージング：パッケージングとは、マイクロチップを相互に接続することで、限られたスペース（フットプリント）で高い性能を実現する方法です。先進パッケージングでは、チップはシリコン貫通ビア（TSV）、ブリッジ、インターポーザー、またはワイヤを用いて接続され、信号速度の向上と消費電力の削減を実現します。
原子層堆積法（ALD）：通常は一度に数原子層ずつ薄膜を形成する堆積技術。
グラフィック・プロセッシング・ユニット（GPU）：複雑な計算を高速に実行するように設計された専用プロセッサチップ。主に画像や動画のレンダリングを目的としていますが、並列処理能力が高いため、機械学習や科学計算などのタスクにも広く使用されています。
シリコン貫通ビア（TSV）：ダイまたはウェハを貫通して垂直方向の電気接続を形成する構造。TSVは、より小型で高機能なデバイスを実現します。
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