A chipletek egy összetett processzort kisebb, speciális lapkákra osztanak, majd fejlett tokozással érik el, hogy azok egyetlen rendszerként működjenek.
A chipletes processzor egy összetett chipet több kisebb darabra oszt, majd ezeket ugyanazon a tokon belül összekapcsolja.
Ahelyett, hogy minden CPU-magot, memóriavezérlőt, grafikai blokkot és bemeneti/kimeneti funkciót egyetlen hatalmas szilíciumdarabon gyártanának le, a tervezők külön-külön speciális lapkákat készíthetnek, majd egyesíthetik őket.
Ez csökkentheti a gyártási hulladékot, lehetővé teheti, hogy a különböző funkciók eltérő gyártási folyamatokat használjanak, és megkönnyítheti egy architektúra skálázását. Ugyanakkor új problémát is teremt: több chipnek egyetlenként kell működnie.
A hagyományos megközelítés: egyetlen monolitikus lapka
A hagyományos processzor egyetlen szilíciumlapkából készül. Ez a lapka többek között az alábbiakat tartalmazhat:
- számítási magok
- gyorsítótár
- memóriavezérlők
- grafika
- megjelenítőmotorok
- PCIe
- és egyéb bemeneti/kimeneti funkciókat.
A monolitikus kialakítás fontos előnyökkel jár. Az adatok szorosan integrált kapcsolatokon keresztül mozoghatnak a lapkán belül. A rendszert könnyebb egyetlen fizikai komponensként kezelni. A késleltetés és a szoftveres működés kiszámíthatóbb lehet. A hátrány akkor jelentkezik, amikor a lapka nagyobbá válik. A szilíciumostyák elkerülhetetlen hibákat tartalmaznak. Egy apró hiba tönkreteheti az értékes szilícium sokkal nagyobb darabját. A nagy lapkákból is kevesebb fér el egy-egy ostyán.
Minél nagyobb és összetettebb a processzor, annál nehezebb hatékonyan legyártani.
A chipletek megosztják a kockázatot
Képzeljünk el egy nagy processzort, amelyet négy kisebb lapkára osztanak. Ha egy hiba érint egy kis lapkát, a többi, hibátlan lapka még használható lehet. A kisebb darabok hatékonyabban is elhelyezhetők a szilíciumostyán. Ez javíthatja a gyártási kihozatalt, és csökkentheti egy nagyon nagy, összességében egyetlen processzor előállításának költségét. A daraboknak nem kell azonosnak lenniük. Egy tok többek között az alábbiakat egyesítheti:
- nagy teljesítményű számítástechnikai lapkák
- egy bemeneti/kimeneti lapka
- grafika
- MI-gyorsítás
- gyorsítótár
- és speciális interfészek.
Mindegyik blokk egy építőelemmé válik.
A különböző feladatok eltérő gyártási folyamatokat használhatnak
A legfejlettebb gyártástechnológia drága, és nem minden funkcióhoz egyformán hasznos. A nagy teljesítményű CPU-magok profitálhatnak a kisebb tranzisztorokból. A be- és kimeneti áramköröknek, az analóg funkcióknak és a memória-interfészeknek nem feltétlenül van szükségük ugyanilyen élvonalbeli gyártástechnológiára. Egyesek érettebb csíkszélességen jobban vagy gazdaságosabban működhetnek. A chipletek lehetővé teszik, hogy a tervezők minden feladathoz a megfelelő gyártástechnológiát használják.
Az AMD RDNA 3 grafikai kialakítása például egy 5 nm-es grafikai-számítási lapkát 6 nm-es memória-gyorsítótár-lapkákkal kombinált. A cél nem pusztán több különálló elem létrehozása volt, hanem az, hogy az egyes funkciókhoz megfelelő gyártástechnológiát használjanak. Az Intel ugyanezt a tágabb elképzelést heterogén integrációnak nevezi: különböző funkciókra tervezett, esetenként eltérő gyártástechnológiával készített chipletek kombinálásának.
A CPU-k tették ismertté a chipleteket
Az AMD Zen processzorcsaládjai segítettek abban, hogy a chipletes kialakítás elterjedjen az asztali és szerverprocesszorokban. Egy Ryzen- vagy EPYC-tokozás egy vagy több magkomplexum-lapkát különálló be- és kimeneti lapkával kombinálhat. Ez a megközelítés megkönnyíti a magszám növelését. Egy általános asztali processzor egy vagy két számítási lapkát használhat. Egy szerverprocesszor egy központi I/O-rendszer körül ennél sokkal többet is használhat. A vállalatnak nem kell minden magszámhoz egyetlen hatalmas, egyedi monolitikus lapkát terveznie. Ugyanaz az építőelem több termékben is megjelenhet.
A GPU-kat nehezebb felosztani
A grafikai munkaterhelések során hatalmas mennyiségű adat mozog a számítási egységek, a gyorsítótár és a memória között. Egy GPU felosztása ezért késleltetési és sávszélességi problémákat okozhat. Az AMD RDNA 3 architektúrája egy központi grafikai-számítási lapkát különálló memória-gyorsítótár-lapkákhoz kapcsolt. A vállalat szerint a köztük lévő összeköttetés akár 5,3 TB/s sebességgel is működhetett. Ez a gyártó által megadott csúcsérték, nem a játékokban elérhető valós átviteli sebesség. Jól szemlélteti azonban a szükséges kapcsolat nagyságrendjét.
Egy chipletekből felépülő GPU nem működhet úgy, mint több, lazán összekapcsolt grafikus kártya. A lapkáknak gyors, koherens kommunikációra van szükségük, hogy a szoftver egyetlen GPU-ként kezelhesse a terméket. Ezért a chipletes grafikai tervezés nem egyszerűen „a CPU-módszer újbóli alkalmazása”.
A tokozás az architektúra részévé válik
Miután a processzort felosztják, a lapkákat összekapcsoló tokozás kritikus fontosságúvá válik. A hagyományos tokozási vezetékek nem biztos, hogy elegendő sávszélességet vagy energiahatékonyságot nyújtanak. A fejlett megközelítések közé tartoznak az alábbiak:
2,5D-s integráció
Több chiplapka egymás mellett helyezkedik el, és egy közbeiktatott rétegen vagy nagy sűrűségű újraelosztó rétegen keresztül kommunikál.
3D-szeletelés
Az egyik lapka a másik fölött helyezkedik el, így sokkal rövidebb függőleges kapcsolatok jönnek létre.
Hibrid megközelítések
A logika, a gyorsítótár és a memória többféle tokozási technológiával egymás mellé és egymás fölé helyezhető. Az Intel Foveros termékcsaládja a fejlett 2,5D-s és 3D-s integráció egyik példája. Az AMD szintén fejlett tokozással kombinálja a chipleteket CPU-, GPU- és gyorsítótermékeiben. A tok már nem csupán a szilíciumot védő tárgy. Meghatározza, hogyan kommunikál a rendszer, hogyan kap tápellátást, és hogyan vezeti el a hőt.
Miért ne legyen minden chiplet?
A chipletek saját költségekkel járnak.
Kommunikációs többletterhelés
A lapkák közötti adatmozgatás több időt és energiát igényelhet, mint az egyetlen lapkán belüli adatmozgatás.
Tokozási költség
A fejlett interposerek, a kötés és az összeszerelés költséges lehet.
Hősűrűség
A lapkák egymásra helyezése megnehezítheti a hőelvezetést.
Tesztelés
Minden chipletet és a végleges tokot is tesztelni kell. Egyetlen hibás komponens továbbra is hatással lehet az összeszerelt termékre.
Szoftver és ütemezés
Az operációs rendszernek és az alkalmazásoknak meg kell érteniük a késleltetés, a gyorsítótár vagy a magok elhelyezésének különbségeit.
Termékméret
Egy kis, olcsó processzor egyetlen monolitikus lapkaként olcsóbb és egyszerűbb lehet.
A chipletek tervezési eszközök, nem univerzális frissítések.
Automatikusan gyorsabbak a chipletek?
Nem. A chipletek gazdaságosan megvalósíthatóvá tehetnek egy jóval nagyobb vagy specializáltabb processzort. Ez a rendszer azért lehet gyorsabb, mert több magot, gyorsítótárat, memóriát vagy gyorsítóegységet tartalmaz. Maga a chipletes elrendezés is kommunikációs többletterhelést okoz. Egy jól megtervezett monolitikus lapka felülmúlhat egy rosszul megtervezett, több lapkából álló rendszert. A teljesítmény a következőktől függ:
- architektúra
- munkaterhelés
- összekapcsolás
- gyorsítótár
- memória
- tokozás
- szoftver
- és a fogyasztás.
Az előny a rugalmasság és a skálázhatóság, nem pedig az ingyenes sebességnövekedés.
Miért fontosak a mesterséges intelligencia szempontjából?
A mesterségesintelligencia-gyorsítóknak óriási számítási teljesítményre, nagy sávszélességű memóriára és a több feldolgozóblokk közötti gyors kapcsolatokra van szükségük. A chipletek lehetővé teszik a tervező számára a következők kombinálását: számítási lapkák, I/O, gyorsítótár, nagy sávszélességű memória és speciális gyorsítás. Az AMD CDNA architektúrája fejlett tokozással kombinálja a chiplet-technológiákat és a HBM-et az adatközponti gyorsítókban. Az iparág szélesebb köre szintén a nyílt chiplet-összekapcsolási szabványok felé halad, hogy a különböző tervezőcsapatok, illetve idővel akár különböző vállalatok lapkái is közös interfészeken keresztül kommunikálhassanak. Ez modulárisabbá teheti a processzorokat, bár a kereskedelmi, biztonsági és kompatibilitási kihívások továbbra is jelentősek.
Mit változtat ez a vásárlók számára
A legtöbb vásárlónak nem azért kell processzort választania, mert az monolitikus vagy chipletalapú. A hasznos eredmények közvetettek: több mag adott áron, nagyobb gyorsítótárak, jobb termékskálázás, specializáltabb gyorsítók és nagyobb verseny a különböző gyártástechnológiák között. A chipletek a szokatlan működést is megmagyarázhatják. A processzor magcsoportjai között eltérő lehet a késleltetés. A GPU működése nagymértékben függhet a gyorsítótárától és az összeköttetéstől. A gyorsítótárat egymásra rétegező kialakítás hőkorlátai eltérhetnek a hagyományos változatétól. Az architektúra akkor fontos, amikor megváltoztatja a valós munkaterhelést, nem pedig azért, mert a marketinganyagban szerepel a „chiplet” szó.
A jövő valószínűleg vegyes lesz
Egyes processzorok továbbra is monolitikusak maradnak. Mások több chipletet egyesítenek. Némelyik függőlegesen egymásra helyezi a gyorsítótárat vagy a memóriát. A nagy AI-rendszerek számos csomagot kapcsolhatnak össze olyan szorosan, hogy a chip, a modul és a számítógép közötti határvonal kevésbé lesz egyértelmű. A cél nem a lehető legtöbb részegység létrehozása. A cél az, hogy minden funkció a megfelelő szilíciumra kerüljön, gazdaságosan lehessen gyártani, és minden elég gyorsan kapcsolódjon egymáshoz ahhoz, hogy a felhasználó egyetlen rendszerként érzékelje az egészet.
A chipletek megváltoztatják a processzorok felépítését, mert lehetővé teszik a tervezők számára, hogy egy nagy teljesítményű chip elkészítésének ne az egyetlen lehetőségeként kezeljék az óriási lapkát. Önmagukban nem a kisebb részegységek jelentik az áttörést. Az áttörést az jelenti, hogy együtt tudnak működni. Olvassa el, miért válik stratégiai jelentőségűvé a grafikus memória, vagy tekintse meg a GPUsed vállalati és adatközponti hardvereit.