一家初创芯片公司，开发出HBM替代品

一家雄心勃勃的芯片初创公司，经过七年多的默默努力，致力于重新设计计算机内存架构，如今终于结束了隐秘模式，并相信其新方法可以帮助缓解全球内存芯片短缺的问题——前提是它能够大规模生产其技术。

Kepler Computing 是一家位于加利福尼亚州圣何塞的初创公司，由一群物理学家和计算机科学家于 2018 年创立。该公司表示，它已经开发出一种新的高带宽内存 (HBM)架构，可以直接解决一些制约计算市场的芯片供应瓶颈问题。

虽然芯片制造商通常依靠昂贵的极紫外光刻 (EUV)来缩小芯片上的晶体管，从而在相同的空间内集成更多的技术，但 Kepler 声称其“3D 堆叠”方法和专有的新材料使其能够在完全不依赖 EUV 的情况下提高密度，并且可以与现有的半导体制造厂配合使用。

Kepler公司表示，他们在CPU、GPU和XPU等处理器中常用的高速缓存方面也取得了类似的进展。这种所谓的SRAM位于芯片核心内部，旨在缩短数据传输时间。相比之下，HBM则使用DRAM堆叠，DRAM是芯片中独立的内存组件。

过去几年，该公司已从众多知名投资者那里筹集了4.68亿美元的资金。这些投资者包括GlobalFoundries、英特尔资本、AMD Ventures、英国投资基金Baillie Gifford以及比尔·盖茨通过其私人基金Gates Frontier进行的投资。今年7月，美国商务部承诺向Kepler提供高达2.45亿美元的资金，用于“在美国开发一种新型高性能人工智能存储技术，该技术将借助创新的3D和铁电技术实现”。

目前，Kepler的大部分测试都在新加坡进行，其制造合作伙伴兼5000万美元投资方GlobalFoundries在新加坡设有工厂。过去两年，Kepler一直在建设其所谓的“迷你晶圆厂”，与GlobalFoundries的28纳米芯片合作生产其内存芯片。（Kepler还在GlobalFoundries位于佛蒙特州伯灵顿的工厂进行测试。）

Kepler及其投资者表示，这家初创公司采用的全新内存芯片制造方法可谓恰逢其时。全球内存芯片短缺至少印证了市场上的两个现实：新建晶圆厂成本高昂且耗时费力；以及某些类型内存的需求往往具有周期性。在数据中心驱动、人工智能盛行的时代，HBM已成为当下的主流内存。

包括 SK 海力士和美光在内的一些世界领先的存储器制造商一直在竞相建造数十亿美元的晶圆厂以满足需求，他们押注即使这些设施投入运营，业界仍将寻求高带宽存储器。

Kepler Computing联合创始人兼首席执行官Debo Olaosebikan表示：“长期以来，我们的想法是先研发SRAM，然后再研发DRAM和HBM。但随着ChatGPT（2022年）的发布以及对HBM替代方案需求的爆炸式增长，我们开始着手制定HBM路线图。现在，我们正在并行研发SRAM和HBM。”

英特尔资本董事总经理斯里尼·阿南特表示：“我们一开始并没有认为这会取代DRAM或SRAM。我们认为市场会决定一切，而现在我们看到市场对两者都有需求。”

Kepler公司是少数几家致力于绕过半导体制造主要瓶颈之一的科技初创公司之一，它绕过了紫外光刻技术。这家初创公司声称，无需投资极紫外光刻技术，就能生产出密度与2纳米或3纳米芯片相同的SRAM。

“Kepler 的方案正符合我们的战略，”GlobalFoundries CMOS 业务高级副总裁 Ed Kaste 表示，“它是一种新型材料体系，具有多代扩展潜力，无需在晶圆厂建造全新的系统，也无需投资非常昂贵的光刻设备。”

Kepler的核心观点是，加速计算市场不应为了满足需求而等待新建存储器晶圆厂。相反，在现有晶圆厂内采用新的存储器制造方法可以增加供应。

他们的方法包含两方面。在改进HBM方面，Kepler表示他们开发了一种新型3D制造技术，可以在固定的空间内容纳更多内存芯片。这样一来，核心计算单元可以更靠近内存，从而降低两者之间的数据传输能耗。他们的最终目标是在保持HBM大容量的同时，使HBM的数据传输能耗与SRAM相当。

Kepler公司还表示，他们利用铁电材料提高了SRAM的密度，这种材料可以在比半导体中常用的数据处理和存储机制更低的电压下读写数据。这家初创公司通过开发一种新型的低电压复合材料实现了这一目标，该材料与铁电技术相辅相成。

Kepler 的联合创始人兼首席技术官 Sasi Manipatruni 表示，Kepler 团队对复合材料进行了 35 次迭代，最终确定了一种他们认为可以使存储芯片的制造更容易、更便宜的材料类别。

他说：“一旦我们找到了解决物理问题的方法——例如 HBM 的物理限制——我们就提出了一种材料创新，这有助于增加芯片之间的存储容量。”

Kepler 表示，在与 GlobalFoundries 的早期合作建设中，它仅用了 8 个月就将一座晶圆厂改造成了“下一代”晶圆厂，而通常需要 24 个月的时间。

“我们的目标是利用已经建成的晶圆厂和架构，将它们推向物理极限，”奥拉奥塞比坎说。

基本上，开普勒公司认为，新材料或现有晶圆厂改造带来的任何额外成本，都将远远超过建造新晶圆厂并为其配备价值数亿美元的设备所需的 200 亿至 400 亿美元。

Kepler Computing距离全面量产还有很长的路要走——前提是它最终能够实现量产。迄今为止，该公司已在约2000片晶圆上进行了技术测试。这家初创公司表示，计划于今年晚些时候交付首批HBM芯片样品，明年在新加坡扩大生产规模，并于2028年在美国开始芯片生产。

GlobalFoundries 的高管 Kaste 表示，他相信“根本性的突破已经发生。剩下的就是如何在数千片晶圆和数百万个器件上获得良好的结果。”

他指出，像开普勒公司使用的这种材料体系面临的挑战之一是，其复合材料中含有铁。“铁是一种很难引入生产设施的污染物。因此，开普勒的解决方案必须在专用设备上运行，或者完全封装，以防止铁泄漏。”他说道。

“关键在于如何在整个生产过程中很好地隔离这种材料，”卡斯特说。

奥拉奥塞比坎不愿透露公司复合材料的具体成分。他说：“我只能说，我们使用的材料种类不多，其中一些并非主流铁电材料中常见的成分。”

Kepler Computing并非唯一一家试图颠覆半导体行业的初创公司。去年年底，一家名为Substrate的、资金雄厚的初创公司也因其新型光刻技术而引起轰动。该技术利用纳米颗粒在先进芯片上蚀刻细节。一些行业分析师对这家初创公司的雄心壮志持怀疑态度，他们指出，正如彭博社报道的那样，Substrate要“按时按预算生产出大量符合极其严格规格的芯片”将极其困难。

在尝试对半导体制造进行创新时，无论是采用新工艺、新材料还是二者的某种组合，规模都是一项常见的挑战。“问题在于如何克服污染、不同材料和不同工具等所有限制，从而使最终的创新能够大规模应用并物有所值，”Creative Strategies 的芯片分析师 Austin Lyons 表示，他并未了解 Kepler 的创新成果。

验证一种新的存储方法是一回事；满足人们对存储技术的历史性需求则是另一回事。