Čipleti dijele složeni procesor na manje specijalizirane čipove, a zatim koriste napredno pakiranje kako bi se ponašali kao jedan sustav.
Procesor s čipletima dijeli jedan složeni čip na nekoliko manjih dijelova, a zatim ih povezuje unutar istog paketa.
Umjesto da proizvode svaku CPU jezgru, memorijski kontroler, grafički blok i ulazno/izlaznu funkciju na jednom golemom komadu silicija, dizajneri mogu zasebno izraditi specijalizirane čipove i zatim ih kombinirati.
To može smanjiti proizvodni otpad, omogućiti različitim funkcijama korištenje različitih proizvodnih procesa i olakšati skaliranje jedne arhitekture. No stvara i novi problem: nekoliko čipova mora se ponašati kao jedan.
Tradicionalni pristup: jedan monolitni čip
Konvencionalni procesor izrađen je kao jedan silicijski čip. Taj čip može sadržavati:
- računalne jezgre
- predmemorija
- memorijski kontroleri
- grafika
- grafički sklopovi
- PCIe
- i druge ulazno/izlazne funkcije.
Monolitni dizajn ima važne prednosti. Podaci se mogu premještati unutar čipa putem čvrsto integriranih veza. Sustav je lakše tretirati kao jednu fizičku komponentu. Latencija i ponašanje softvera mogu biti predvidljiviji. Nedostatak se pojavljuje kako čip postaje veći. Silicijske pločice sadrže neizbježne nedostatke. Mali kvar može uništiti mnogo veći komad vrijednog silicija. Na svaku pločicu također stane manje velikih čipova.
Što procesor postaje veći i složeniji, to ga je teže učinkovito proizvoditi.
Čipleti dijele rizik
Zamislite veliki procesor podijeljen na četiri manja čipa. Ako kvar zahvati jedan mali čip, ostali ispravni čipovi i dalje mogu biti upotrebljivi. Manji se dijelovi također učinkovitije raspoređuju na pločicu. To može poboljšati proizvodni prinos i smanjiti troškove izrade vrlo velikog procesora. Dijelovi ne moraju biti identični. Paket može kombinirati:
- čipovi za računalstvo visokih performansi
- ulazno/izlazni čip
- grafika
- Ubrzavanje umjetne inteligencije
- predmemorija
- i specijalizirana sučelja.
Svaki blok postaje građevna komponenta.
Različiti zadaci mogu koristiti različite proizvodne procese
Najnapredniji proizvodni proces skup je i nije jednako koristan za svaku funkciju. CPU jezgre visokih performansi mogu imati koristi od manjih tranzistora. Ulazno-izlazni sklopovi, analogne funkcije i memorijska sučelja možda ne trebaju jednako napredan proizvodni proces. Neki mogu bolje ili ekonomičnije raditi na zreloj proizvodnoj tehnologiji. Čipleti dizajnerima omogućuju korištenje odgovarajućeg procesa za svaki zadatak.
AMD-ov grafički dizajn RDNA 3, primjerice, kombinirao je 5-nanometarsku matricu za grafičke izračune sa 6-nanometarskim matricama memorijske predmemorije. Cilj nije bio samo stvoriti više dijelova. Radilo se o smještanju različitih funkcija na proizvodne procese koji im odgovaraju. Intel tu širu ideju opisuje kao heterogenu integraciju: kombiniranje čipleta izrađenih za različite funkcije i potencijalno korištenje različitih proizvodnih tehnologija.
CPU-ovi su učinili čiplete poznatima
AMD-ove procesorske obitelji Zen pomogle su uvođenju dizajna s čipletima u uobičajene stolne i poslužiteljske CPU-ove. Paket Ryzen ili EPYC može kombinirati jednu ili više matrica kompleksa jezgri s odvojenom ulazno-izlaznom matricom. Takav pristup olakšava povećanje broja jezgri. Uobičajeni stolni procesor može koristiti jednu ili dvije računalne matrice. Poslužiteljski procesor može ih imati znatno više oko središnjeg ulazno-izlaznog sustava. Tvrtka ne mora dizajnirati jednu golemu, jedinstvenu monolitnu matricu za svaki broj jezgri. Isti se građevni element može pojaviti u nekoliko proizvoda.
GPU-ove je teže podijeliti
Grafička opterećenja ovise o golemim količinama podataka koji se premještaju između računalnih jedinica, predmemorije i memorije. Dijeljenje GPU-a stoga može uzrokovati probleme s latencijom i propusnošću. AMD-ova arhitektura RDNA 3 koristila je središnju matricu za grafičke izračune povezanu s odvojenim matricama memorijske predmemorije. Tvrtka je navela da je međusobna veza između njih mogla raditi brzinom do 5.3TB/s. To je vršna vrijednost proizvođača, a ne stvarna propusnost u igrama. Ilustrira razmjer potrebne veze.
GPU s čipletima ne može se ponašati poput nekoliko labavo povezanih grafičkih kartica. Matrice trebaju brzu, koherentnu komunikaciju kako bi softver proizvod mogao tretirati kao jedan GPU. Zato dizajn grafike s čipletima nije jednostavno „ponovno primijeni pristup za CPU”.
Pakiranje postaje dio arhitekture
Nakon podjele procesora, paket koji ga povezuje postaje od ključne važnosti. Tradicionalne vodilice u paketu možda neće pružati dovoljnu propusnost ni energetsku učinkovitost. Napredni pristupi uključuju:
2.5D integracija
Nekoliko matrica smješteno je jedna uz drugu i komuniciraju putem interposera ili redistribucijskog sloja visoke gustoće.
3D slaganje
Jedna jezgra nalazi se iznad druge, čime nastaju mnogo kraće okomite veze.
Hibridni pristupi
Logika, predmemorija i memorija mogu se postaviti jedni uz druge i jedni iznad drugih putem nekoliko tehnologija pakiranja. Intelova obitelj Foveros primjer je napredne 2.5D i 3D integracije. AMD također kombinira čiplete s naprednim pakiranjem u proizvodima na temelju CPU-a, GPU-a i akceleratora. Kućište više nije samo objekt koji štiti silicij. Ono određuje kako sustav komunicira, prima napajanje i odvodi toplinu.
Zašto sve ne napraviti kao čiplete?
Čipleti imaju i vlastite troškove.
Komunikacijsko opterećenje
Prijenos podataka između jezgri može trajati dulje i trošiti više energije nego prijenos unutar jedne jezgre.
Trošak pakiranja
Napredni interposeri, spajanje i sastavljanje mogu biti skupi.
Gustoća topline
Slaganje jezgri može otežati odvođenje topline.
Testiranje
Svaki čiplet i konačno pakiranje moraju se testirati. Jedna neispravna komponenta i dalje može utjecati na sastavljeni proizvod.
Softver i raspoređivanje
Operacijski sustav i aplikacije možda će morati razumjeti razlike u latenciji, predmemoriji ili smještaju jezgri.
Razmjer proizvoda
Mali, jeftini procesor može biti jeftiniji i jednostavniji kao jedna monolitna jezgra.
Čipleti su alat za dizajn, a ne univerzalna nadogradnja.
Jesu li čipleti automatski brži?
Ne. Čipleti mogu učiniti ekonomski izvedivim mnogo veći ili specijaliziraniji procesor. Taj sustav može biti brži jer sadrži više jezgri, predmemorije, memorije ili mogućnosti ubrzanja. Sam raspored čipleta također uvodi komunikacijsko opterećenje. Dobro dizajniran monolitni čip može nadmašiti loše dizajniran sustav s više jezgri. Performanse ovise o:
- arhitektura
- radno opterećenje
- međusobno povezivanje
- predmemorija
- memorija
- pakiranje
- softver
- i potrošnja energije.
Prednost je fleksibilnost i skaliranje, a ne besplatna brzina.
Zašto su važni za AI
AI akceleratori trebaju golemu računalnu snagu, memoriju velike propusnosti i brze veze između nekoliko procesorskih blokova. Čipleti omogućuju dizajneru kombiniranje: računalnih jezgri, I/O-a, predmemorije, memorije velike propusnosti i specijaliziranog ubrzanja. AMD-ova arhitektura CDNA koristi napredno pakiranje za kombiniranje tehnologija čipleta i HBM-a u akceleratorima za podatkovne centre. Šira se industrija također kreće prema otvorenim standardima za međusobno povezivanje čipleta, kako bi jezgre iz različitih dizajnerskih timova, a naposljetku i različitih tvrtki, mogle komunicirati putem zajedničkih sučelja. To bi procesore moglo učiniti modularnijima, iako komercijalni, sigurnosni i kompatibilnosni izazovi i dalje ostaju znatni.
Što se time mijenja za kupce
Većina kupaca ne mora birati procesor zato što je monolitan ili se temelji na chipletima. Korisni su ishodi neizravni: više jezgri za određenu cijenu, veće predmemorije, bolje skaliranje proizvoda, specijaliziraniji akceleratori i veća konkurencija među proizvodnim procesima. Chipleti također mogu objasniti neobično ponašanje. Procesor može imati različitu latenciju između skupina jezgri. GPU može uvelike ovisiti o svojoj predmemoriji i međusobnom povezivanju. Dizajn sa složenom predmemorijom može imati drugačija toplinska ograničenja od konvencionalne izvedbe. Arhitektura je važna kada mijenja stvarno radno opterećenje, a ne zato što se riječ „chiplet” pojavljuje u marketinškim materijalima.
Budućnost će vjerojatno biti kombinirana
Neki će procesori ostati monolitni. Drugi će kombinirati nekoliko chipleta. Neki će okomito slagati predmemoriju ili memoriju. Veliki sustavi umjetne inteligencije možda će povezati toliko mnogo paketa da će granica između čipa, modula i računala postati manje jasna. Cilj nije stvoriti najveći mogući broj dijelova. Cilj je svaku funkciju smjestiti na odgovarajući silicij, proizvoditi je ekonomično i sve povezati dovoljno brzo da korisnik doživi jedan sustav.
Chipleti mijenjaju način izrade procesora jer dizajnerima omogućuju da prestanu smatrati jednu golemu matricu jedinim putem do snažnog čipa. Sami manji dijelovi nisu revolucionarni. Revolucionarno je to što rade zajedno. Pročitajte zašto grafička memorija postaje strateški važna ili istražite GPUsedov enterprise i podatkovno-centarski hardver.