I chiplet dividono un processore complesso in die specializzati più piccoli, quindi utilizzano packaging avanzato per farli funzionare come un unico sistema.
Un processore a chiplet divide un chip complesso in diversi componenti più piccoli, quindi li collega all'interno dello stesso package.
Anziché produrre ogni core della CPU, controller di memoria, blocco grafico e funzione di input/output su un unico enorme pezzo di silicio, i progettisti possono costruire separatamente die specializzati e combinarli.
Questo può ridurre gli sprechi di produzione, consentire a funzioni diverse di utilizzare processi produttivi differenti e rendere più facile scalare un'architettura. Tuttavia, crea anche un nuovo problema: diversi chip devono comportarsi come uno solo.
L'approccio tradizionale: un unico die monolitico
Un processore convenzionale è costruito come un unico die di silicio. Quel die può contenere:
- core di calcolo
- cache
- controller di memoria
- grafica
- motori grafici
- PCIe
- e altre funzioni di input/output.
Un design monolitico offre vantaggi importanti. I dati possono spostarsi all'interno del die attraverso connessioni strettamente integrate. Il sistema è più facile da gestire come un unico componente fisico. La latenza e il comportamento del software possono essere più prevedibili. Lo svantaggio emerge quando il die diventa più grande. I wafer di silicio contengono difetti inevitabili. Un piccolo difetto può rovinare una porzione molto più grande di silicio prezioso. Inoltre, i die più grandi entrano meno volte in ogni wafer.
Più il processore diventa grande e complesso, più è difficile produrlo in modo efficiente.
I chiplet distribuiscono il rischio
Immagina un grande processore diviso in quattro die più piccoli. Se un difetto colpisce un die piccolo, gli altri die funzionanti potrebbero essere ancora utilizzabili. Inoltre, i componenti più piccoli si dispongono sul wafer in modo più efficiente. Questo può migliorare la resa produttiva e ridurre il costo di produzione di un processore complessivo molto grande. I componenti non devono essere identici. Un package può combinare:
- die per il calcolo ad alte prestazioni
- un die di input/output
- grafica
- Accelerazione dell'IA
- cache
- e interfacce specializzate.
Ogni blocco diventa un componente del sistema.
Processi produttivi diversi possono essere utilizzati per attività diverse
Il processo produttivo più avanzato è costoso e non è ugualmente utile per ogni funzione. I core delle CPU ad alte prestazioni possono trarre vantaggio da transistor più piccoli. I circuiti di input/output, le funzioni analogiche e le interfacce di memoria potrebbero non aver bisogno dello stesso processo all'avanguardia. Alcuni possono funzionare meglio o in modo più economico su un nodo maturo. I chiplet consentono ai progettisti di utilizzare il processo più adatto per ogni attività.
La progettazione grafica RDNA 3 di AMD, per esempio, combinava un die di calcolo grafico a 5 nm con die per la cache di memoria a 6 nm. L'obiettivo non era semplicemente creare più parti, ma assegnare funzioni diverse a processi adatti a ciascuna di esse. Intel descrive la stessa idea più ampia come integrazione eterogenea: combinare chiplet progettati per funzioni diverse e potenzialmente realizzati con tecnologie di processo differenti.
Le CPU hanno reso familiari i chiplet
Le famiglie di processori Zen di AMD hanno contribuito a portare la progettazione a chiplet nelle CPU desktop e server di fascia mainstream. Un package Ryzen o EPYC può combinare uno o più die dei complessi di core con un die separato per l'input/output. Questo approccio facilita il ridimensionamento del numero di core. Un processore desktop mainstream può utilizzare uno o due die di calcolo. Un processore server può utilizzarne molti di più attorno a un sistema I/O centrale. L'azienda non deve progettare un enorme die monolitico unico per ogni numero di core. Lo stesso blocco costruttivo può comparire in diversi prodotti.
Le GPU sono più difficili da suddividere
I carichi di lavoro grafici dipendono dallo spostamento di enormi quantità di dati tra unità di calcolo, cache e memoria. Suddividere una GPU può quindi creare problemi di latenza e larghezza di banda. L'architettura RDNA 3 di AMD utilizzava un die centrale per il calcolo grafico collegato a die separati per la cache di memoria. L'azienda ha dichiarato che l'interconnessione tra loro poteva funzionare a velocità fino a 5,3 TB/s. Si tratta di un valore di picco dichiarato dal produttore, non della velocità effettiva nei giochi. Illustra la portata della connessione richiesta.
Una GPU a chiplet non può comportarsi come diverse schede grafiche collegate in modo lasco. I die devono comunicare rapidamente e in modo coerente, affinché il software possa trattare il prodotto come un'unica GPU. Per questo, la progettazione grafica a chiplet non consiste semplicemente nel «riutilizzare il metodo delle CPU».
Il packaging diventa parte dell'architettura
Una volta suddiviso il processore, il package che lo collega diventa di fondamentale importanza. Le piste dei package tradizionali potrebbero non offrire una larghezza di banda o un'efficienza energetica sufficienti. Gli approcci avanzati includono:
Integrazione 2.5D
Diversi die sono affiancati e comunicano tramite un interposer o uno strato di ridistribuzione ad alta densità.
Stacking 3D
Un die è posizionato sopra un altro, creando collegamenti verticali molto più brevi.
Approcci ibridi
Logica, cache e memoria possono essere posizionate una accanto all’altra e una sopra l’altra attraverso diverse tecnologie di packaging. La famiglia Foveros di Intel è un esempio di integrazione 2.5D e 3D avanzata. Anche AMD combina chiplet e packaging avanzato nei prodotti CPU, GPU e acceleratori. Il package non è più soltanto l’oggetto che protegge il silicio. Determina come il sistema comunica, riceve alimentazione e dissipa il calore.
Perché non rendere tutto un chiplet?
I chiplet introducono costi propri.
Sovraccarico di comunicazione
Lo spostamento dei dati tra i die può richiedere più tempo ed energia rispetto allo spostamento all’interno di un singolo die.
Costo del packaging
Gli interposer avanzati, il bonding e l’assemblaggio possono essere costosi.
Densità termica
Impilare i die può rendere più difficile la dissipazione del calore.
Test
Ogni chiplet e il package finale devono essere testati. Un componente difettoso può comunque compromettere il prodotto assemblato.
Software e pianificazione
Il sistema operativo e le applicazioni potrebbero dover comprendere le differenze di latenza, cache o disposizione dei core.
Dimensioni del prodotto
Un processore piccolo ed economico può essere più conveniente e semplice come die monolitico.
I chiplet sono uno strumento di progettazione, non un miglioramento universale.
I chiplet sono automaticamente più veloci?
No. I chiplet possono rendere economicamente possibile un processore molto più grande o specializzato. Quel sistema potrebbe essere più veloce perché contiene più core, cache, memoria o accelerazione. Anche la configurazione a chiplet introduce un sovraccarico di comunicazione. Un chip monolitico ben progettato può superare un sistema multi-die progettato male. Le prestazioni dipendono da:
- architettura
- carico di lavoro
- interconnessione
- cache
- memoria
- packaging
- software
- e il consumo energetico.
Il vantaggio è la flessibilità e la scalabilità, non una maggiore velocità gratuita.
Perché sono importanti per l’IA
Gli acceleratori per l’IA richiedono un’enorme potenza di calcolo, memoria ad ampia larghezza di banda e collegamenti veloci tra diversi blocchi di elaborazione. I chiplet consentono ai progettisti di combinare: die di calcolo, I/O, cache, memoria ad ampia larghezza di banda e accelerazione specializzata. L’architettura CDNA di AMD utilizza un packaging avanzato per combinare tecnologie chiplet e HBM negli acceleratori per data center. Anche il settore più ampio si sta orientando verso standard aperti di interconnessione tra chiplet, in modo che i die di diversi team di progettazione, o eventualmente di aziende diverse, possano comunicare tramite interfacce comuni. Ciò potrebbe rendere i processori più modulari, sebbene le sfide commerciali, di sicurezza e di compatibilità rimangano considerevoli.
Cosa cambia per gli acquirenti
La maggior parte degli acquirenti non deve scegliere un processore perché è monolitico o basato su chiplet. I vantaggi concreti sono indiretti: più core a un determinato prezzo, cache più ampie, una migliore scalabilità dei prodotti, acceleratori più specializzati e maggiore concorrenza tra i processi produttivi. I chiplet possono anche spiegare comportamenti insoliti. Un processore può avere latenze diverse tra gruppi di core. Una GPU può dipendere fortemente dalla cache e dall'interconnessione. Un design con cache impilata può avere limiti termici diversi da quelli di una versione convenzionale. L'architettura conta quando cambia il carico di lavoro reale, non perché la parola «chiplet» compare nel marketing.
È probabile che il futuro sia misto
Alcuni processori resteranno monolitici. Altri combineranno diversi chiplet. Alcuni impileranno verticalmente cache o memoria. I grandi sistemi di intelligenza artificiale potrebbero collegare così strettamente numerosi package che il confine tra chip, modulo e computer diventerà meno evidente. L'obiettivo non è creare il maggior numero possibile di componenti. È collocare ogni funzione sul silicio più adatto, produrlo in modo economico e collegare tutto abbastanza velocemente da far percepire all'utente un unico sistema.
I chiplet stanno cambiando il modo in cui vengono costruiti i processori, perché permettono ai progettisti di non considerare più un unico die enorme come l'unica strada per ottenere un chip potente. I componenti più piccoli, da soli, non rappresentano la svolta. La svolta consiste nel farli funzionare insieme. Scopri perché la memoria grafica sta diventando strategicamente importante oppure esplora l'hardware aziendale e per datacenter di GPUsed.