Los chiplets dividen un procesador complejo en chips especializados más pequeños y después utilizan un encapsulado avanzado para que se comporten como un único sistema.
Un procesador basado en chiplets divide un chip complejo en varias piezas más pequeñas y después las conecta dentro del mismo encapsulado.
En lugar de fabricar todos los núcleos de CPU, controladores de memoria, bloques gráficos y funciones de entrada/salida en una enorme pieza de silicio, los diseñadores pueden construir chips especializados por separado y combinarlos.
Esto puede reducir los residuos de fabricación, permitir que distintas funciones utilicen diferentes procesos de producción y facilitar el escalado de una arquitectura. También crea un nuevo problema: varios chips deben comportarse como uno solo.
El enfoque tradicional: un único chip monolítico
Un procesador convencional se construye como un único chip de silicio. Ese chip puede contener:
- núcleos de computación
- caché
- controladores de memoria
- gráficos
- motores de pantalla
- PCIe
- y otras funciones de entrada/salida.
Un diseño monolítico tiene ventajas importantes. Los datos pueden desplazarse dentro del chip mediante conexiones estrechamente integradas. Es más fácil tratar el sistema como un único componente físico. La latencia y el comportamiento del software pueden ser más predecibles. La desventaja aparece cuando el chip aumenta de tamaño. Las obleas de silicio contienen defectos inevitables. Un pequeño defecto puede arruinar una pieza mucho mayor de silicio valioso. Además, los chips grandes caben menos veces en cada oblea.
Cuanto más grande y complejo es el procesador, más difícil resulta fabricarlo de forma eficiente.
Los chiplets dividen el riesgo
Imagina un procesador grande dividido en cuatro chips más pequeños. Si un defecto afecta a uno de ellos, los otros chips en buen estado aún pueden utilizarse. Las piezas más pequeñas también se ajustan a la oblea de forma más eficiente. Esto puede mejorar el rendimiento de fabricación y reducir el coste de producir un procesador total muy grande. Las piezas no tienen que ser idénticas. Un encapsulado podría combinar:
- chips de computación de alto rendimiento
- un chip de entrada/salida
- gráficos
- Aceleración de IA
- caché
- y interfaces especializadas.
Cada bloque se convierte en un componente del sistema.
Diferentes trabajos pueden utilizar distintos procesos de fabricación
El proceso de fabricación más avanzado es caro y no resulta igual de útil para todas las funciones. Los núcleos de CPU de alto rendimiento pueden beneficiarse de transistores más pequeños. Los circuitos de entrada/salida, las funciones analógicas y las interfaces de memoria quizá no necesiten el mismo proceso de vanguardia. Algunos pueden funcionar mejor o de forma más económica en un nodo maduro. Los chiplets permiten a los diseñadores utilizar el proceso adecuado para cada tarea.
El diseño gráfico RDNA 3 de AMD, por ejemplo, combinó un troquel de cómputo gráfico de 5 nm con troqueles de caché de memoria de 6 nm. El objetivo no era simplemente crear más piezas, sino asignar funciones diferentes a procesos adecuados para cada una. Intel describe la misma idea general como integración heterogénea: combinar chiplets diseñados para funciones distintas y utilizar potencialmente tecnologías de proceso diferentes.
Las CPU popularizaron los chiplets
Las familias de procesadores Zen de AMD ayudaron a popularizar el diseño con chiplets en las CPU de escritorio y servidor. Un encapsulado Ryzen o EPYC puede combinar uno o varios troqueles de complejos de núcleos con un troquel independiente de entrada/salida. Este enfoque facilita escalar el número de núcleos. Un procesador de escritorio convencional puede utilizar uno o dos troqueles de cómputo. Un procesador para servidores puede utilizar muchos más alrededor de un sistema central de E/S. La empresa no necesita diseñar un enorme troquel monolítico único para cada cantidad de núcleos. El mismo bloque de construcción puede aparecer en varios productos.
Las GPU son más difíciles de dividir
Las cargas de trabajo gráficas dependen de que enormes cantidades de datos se muevan entre las unidades de cómputo, la caché y la memoria. Por tanto, dividir una GPU puede crear problemas de latencia y ancho de banda. La arquitectura RDNA 3 de AMD utilizó un troquel central de cómputo gráfico conectado a troqueles independientes de caché de memoria. La empresa afirmó que la interconexión entre ellos podía funcionar a hasta 5,3 TB/s. Esa es una cifra máxima del fabricante, no el rendimiento real en juegos. Ilustra la magnitud de la conexión necesaria.
Una GPU basada en chiplets no puede comportarse como varias tarjetas gráficas conectadas de forma flexible. Los troqueles necesitan una comunicación rápida y coherente para que el software pueda tratar el producto como una sola GPU. Por eso, diseñar gráficos con chiplets no consiste simplemente en «volver a usar el método de las CPU».
El encapsulado pasa a formar parte de la arquitectura
Una vez dividido el procesador, el encapsulado que lo conecta adquiere una importancia crítica. Las pistas de los encapsulados tradicionales quizá no proporcionen suficiente ancho de banda ni eficiencia energética. Entre los enfoques avanzados se incluyen:
Integración 2.5D
Varios troqueles se sitúan uno junto a otro y se comunican mediante un interposer o una capa de redistribución de alta densidad.
Apilamiento 3D
Una matriz se coloca encima de otra, creando conexiones verticales mucho más cortas.
Enfoques híbridos
La lógica, la caché y la memoria pueden colocarse unas junto a otras y unas encima de otras mediante varias tecnologías de encapsulado. La familia Foveros de Intel es un ejemplo de integración avanzada 2.5D y 3D. AMD también combina chiplets con encapsulado avanzado en productos de CPU, GPU y aceleradores. El encapsulado ya no es simplemente el objeto que protege el silicio. Determina cómo se comunica el sistema, recibe alimentación y evacua el calor.
¿Por qué no convertir todo en chiplets?
Los chiplets introducen sus propios costes.
Sobrecarga de comunicación
Los datos que se desplazan entre matrices pueden requerir más tiempo y energía que los que se mueven dentro de una sola matriz.
Coste del encapsulado
Los interposores avanzados, la unión y el ensamblaje pueden ser costosos.
Densidad térmica
Apilar matrices puede dificultar la evacuación del calor.
Pruebas
Cada chiplet y el encapsulado final deben probarse. Un componente defectuoso aún puede afectar al producto ensamblado.
Software y planificación
El sistema operativo y las aplicaciones pueden necesitar comprender las diferencias de latencia, caché o ubicación de los núcleos.
Escala del producto
Un procesador pequeño y económico puede ser más barato y sencillo como una única matriz monolítica.
Los chiplets son una herramienta de diseño, no una mejora universal.
¿Los chiplets son automáticamente más rápidos?
No. Los chiplets pueden hacer económicamente viable un procesador mucho más grande o especializado. Ese sistema puede ser más rápido porque contiene más núcleos, caché, memoria o aceleración. La propia disposición de chiplets también introduce una sobrecarga de comunicación. Un chip monolítico bien diseñado puede superar en rendimiento a un sistema de múltiples matrices mal diseñado. El rendimiento depende de:
- arquitectura
- carga de trabajo
- interconexión
- caché
- memoria
- encapsulado
- software
- y consumo energético.
La ventaja es la flexibilidad y la escalabilidad, no una mayor velocidad gratuita.
Por qué son importantes para la IA
Los aceleradores de IA necesitan una enorme capacidad de cálculo, memoria de gran ancho de banda y enlaces rápidos entre varios bloques de procesamiento. Los chiplets permiten combinar en un mismo diseño: matrices de cálculo, E/S, caché, memoria de gran ancho de banda y aceleración especializada. La arquitectura CDNA de AMD utiliza encapsulado avanzado para combinar tecnologías de chiplets y HBM en aceleradores para centros de datos. El sector en general también avanza hacia estándares abiertos de interconexión de chiplets, de modo que las matrices de distintos equipos de diseño o, con el tiempo, de distintas empresas puedan comunicarse mediante interfaces comunes. Esto podría hacer que los procesadores fueran más modulares, aunque los retos comerciales, de seguridad y de compatibilidad siguen siendo considerables.
Qué cambia para los compradores
La mayoría de los compradores no necesitan elegir un procesador por ser monolítico o estar basado en chiplets. Los resultados útiles son indirectos: más núcleos a un precio determinado, cachés más grandes, una mejor escalabilidad de los productos, aceleradores más especializados y una mayor competencia entre procesos de fabricación. Los chiplets también pueden explicar comportamientos inusuales. Un procesador puede presentar una latencia diferente entre grupos de núcleos. Una GPU puede depender en gran medida de su caché y su interconexión. Un diseño con caché apilada puede tener límites térmicos distintos de los de una versión convencional. La arquitectura importa cuando cambia la carga de trabajo real, no porque la palabra «chiplet» aparezca en el marketing.
Es probable que el futuro sea mixto
Algunos procesadores seguirán siendo monolíticos. Otros combinarán varios chiplets. Algunos apilarán la caché o la memoria verticalmente. Los grandes sistemas de IA pueden conectar tantos paquetes con tanta proximidad que la frontera entre chip, módulo y ordenador resulte menos evidente. El objetivo no es crear el mayor número de piezas posible. Es colocar cada función en el silicio adecuado, fabricarlo de forma rentable y conectar todo con la suficiente rapidez para que el usuario perciba un único sistema.
Los chiplets están cambiando la forma de fabricar los procesadores porque permiten a los diseñadores dejar de considerar un único dado enorme como la única vía para crear un chip potente. Las piezas más pequeñas no son el avance revolucionario por sí solas. El avance consiste en conseguir que funcionen juntas. Descubre por qué la memoria gráfica está adquiriendo importancia estratégica o explora el hardware empresarial y de centros de datos de GPUsed.