Chiplety dzielą złożony procesor na mniejsze wyspecjalizowane układy, a następnie wykorzystują zaawansowane pakowanie, aby działały jak jeden system.
Procesor chipletowy dzieli jeden złożony układ na kilka mniejszych elementów, a następnie łączy je w tym samym pakiecie.
Zamiast wytwarzać wszystkie rdzenie CPU, kontroler pamięci, blok graficzny i funkcje wejścia/wyjścia na jednym ogromnym kawałku krzemu, projektanci mogą osobno budować wyspecjalizowane układy i łączyć je.
Może to ograniczyć ilość odpadów produkcyjnych, pozwolić różnym funkcjom korzystać z różnych procesów produkcyjnych i ułatwić skalowanie jednej architektury. Tworzy to jednak nowy problem: kilka układów musi działać jak jeden.
Tradycyjne podejście: jeden monolityczny układ
Konwencjonalny procesor jest zbudowany jako pojedynczy układ krzemowy. Taki układ może zawierać:
- rdzenie obliczeniowe
- pamięć podręczna
- kontrolery pamięci
- grafika
- silniki wyświetlania
- PCIe
- i inne funkcje wejścia/wyjścia.
Konstrukcja monolityczna ma istotne zalety. Dane mogą przemieszczać się w obrębie układu za pośrednictwem ściśle zintegrowanych połączeń. Łatwiej traktować cały system jako jeden fizyczny komponent. Opóźnienia i zachowanie oprogramowania mogą być bardziej przewidywalne. Wadę widać, gdy układ staje się większy. Wafle krzemowe zawierają nieuniknione wady. Niewielka wada może zniszczyć znacznie większy fragment cennego krzemu. Duże układy także mieszczą się na każdym waflu w mniejszej liczbie.
Im większy i bardziej złożony staje się procesor, tym trudniej efektywnie go produkować.
Chipletowa konstrukcja rozdziela ryzyko
Wyobraź sobie duży procesor podzielony na cztery mniejsze układy. Jeśli wada dotknie jednego małego układu, pozostałe sprawne układy nadal mogą nadawać się do użytku. Mniejsze elementy także efektywniej mieszczą się na waflu. Może to zwiększyć uzysk produkcyjny i obniżyć koszt wytwarzania bardzo dużego procesora. Elementy te nie muszą być identyczne. Pakiet może łączyć:
- układy obliczeniowe wysokiej wydajności
- układ wejścia/wyjścia
- grafika
- Akceleracja AI
- pamięć podręczna
- i wyspecjalizowane interfejsy.
Każdy blok staje się elementem konstrukcyjnym.
Różne zadania mogą wykorzystywać różne procesy produkcyjne
Najbardziej zaawansowany proces produkcyjny jest drogi i nie jest równie przydatny w przypadku każdej funkcji. Wydajne rdzenie CPU mogą korzystać z mniejszych tranzystorów. Układy wejścia-wyjścia, funkcje analogowe i interfejsy pamięci mogą nie wymagać równie nowoczesnego procesu. Niektóre z nich mogą działać lepiej lub bardziej ekonomicznie w dojrzałym węźle technologicznym. Chiplety pozwalają projektantom wykorzystać odpowiedni proces do każdego zadania.
Przykładowo konstrukcja graficzna AMD RDNA 3 łączyła 5-nanometrową matrycę obliczeniową procesora graficznego z 6-nanometrowymi matrycami pamięci podręcznej. Nie chodziło po prostu o stworzenie większej liczby elementów. Celem było wykorzystanie procesów technologicznych odpowiednich dla poszczególnych funkcji. Intel opisuje tę szerszą koncepcję jako integrację heterogeniczną: łączenie chipletów przeznaczonych do różnych funkcji i potencjalnie wykonanych w różnych procesach technologicznych.
Procesory sprawiły, że chiplet stał się znany
Rodziny procesorów AMD Zen pomogły spopularyzować projektowanie chipletowe w desktopowych i serwerowych procesorach. Obudowa procesora Ryzen lub EPYC może łączyć jedną lub więcej matryc kompleksów rdzeniowych z oddzielną matrycą wejścia-wyjścia. Takie podejście ułatwia skalowanie liczby rdzeni. Typowy procesor desktopowy może wykorzystywać jedną lub dwie matryce obliczeniowe. Procesor serwerowy może mieć ich znacznie więcej, rozmieszczonych wokół centralnego systemu wejścia-wyjścia. Firma nie musi projektować jednej ogromnej, unikatowej monolitycznej matrycy dla każdej liczby rdzeni. Ten sam element konstrukcyjny może pojawiać się w kilku produktach.
Procesory graficzne trudniej podzielić
Obciążenia graficzne wymagają przesyłania ogromnych ilości danych między jednostkami obliczeniowymi, pamięcią podręczną a pamięcią. Podział procesora graficznego może więc powodować problemy z opóźnieniami i przepustowością. Architektura AMD RDNA 3 wykorzystywała centralną matrycę obliczeniową procesora graficznego połączoną z oddzielnymi matrycami pamięci podręcznej. Firma podała, że połączenie między nimi mogło działać z przepustowością do 5,3 TB/s. To szczytowa wartość deklarowana przez producenta, a nie rzeczywista przepustowość w grach. Pokazuje jednak skalę wymaganego połączenia.
Procesor graficzny z chipletami nie może działać jak kilka luźno połączonych kart graficznych. Matryce potrzebują szybkiej, spójnej komunikacji, aby oprogramowanie mogło traktować produkt jak jeden procesor graficzny. Dlatego projektowanie układów graficznych z chipletami nie polega po prostu na „ponownym wykorzystaniu metody stosowanej w procesorach”.
Obudowa staje się częścią architektury
Po podzieleniu procesora kluczowe znaczenie zyskuje łącząca go obudowa. Tradycyjne ścieżki w obudowie mogą nie zapewniać wystarczającej przepustowości ani efektywności energetycznej. Zaawansowane rozwiązania obejmują:
Integracja 2,5D
Kilka matryc znajduje się obok siebie i komunikuje się za pośrednictwem interposera lub warstwy redystrybucji o dużej gęstości.
Układanie 3D
Jeden układ znajduje się nad drugim, tworząc znacznie krótsze połączenia pionowe.
Podejścia hybrydowe
Układy logiczne, pamięć podręczna i pamięć mogą być umieszczone obok siebie i jeden nad drugim za pomocą kilku technologii montażu. Rodzina Foveros firmy Intel jest przykładem zaawansowanej integracji 2.5D i 3D. AMD również łączy chiplet z zaawansowanym montażem w produktach z procesorami CPU, GPU i akceleratorami. Pakiet nie jest już tylko obiektem chroniącym krzem. Określa sposób komunikacji systemu, dostarczania zasilania i odprowadzania ciepła.
Dlaczego nie zrobić wszystkiego w formie chipletów?
Chiplety wiążą się z własnymi kosztami.
Narzut komunikacyjny
Przesyłanie danych między układami może wymagać więcej czasu i energii niż przesyłanie danych w obrębie jednego układu.
Koszt montażu
Zaawansowane interposery, łączenie i montaż mogą być kosztowne.
Gęstość cieplna
Układanie układów jeden na drugim może utrudniać odprowadzanie ciepła.
Testowanie
Każdy chiplet i końcowy pakiet trzeba przetestować. Jeden wadliwy komponent nadal może wpłynąć na zmontowany produkt.
Oprogramowanie i planowanie zadań
System operacyjny i aplikacje mogą wymagać uwzględnienia różnic w opóźnieniach, pamięci podręcznej lub rozmieszczeniu rdzeni.
Skala produktu
Mały, niedrogi procesor może być tańszy i prostszy jako pojedynczy układ monolityczny.
Chiplet to narzędzie projektowe, a nie uniwersalne ulepszenie.
Czy chiplety automatycznie zwiększają szybkość?
Nie. Chiplety mogą sprawić, że znacznie większy lub bardziej wyspecjalizowany procesor stanie się ekonomicznie opłacalny. Taki system może być szybszy, ponieważ zawiera więcej rdzeni, pamięci podręcznej, pamięci lub akceleracji. Sam układ chipletowy wprowadza również narzut komunikacyjny. Dobrze zaprojektowany układ monolityczny może przewyższać słabo zaprojektowany system wieloukładowy. Wydajność zależy od:
- architektura
- obciążenie
- połączenie
- pamięć podręczna
- pamięć
- montaż
- oprogramowanie
- i pobór mocy.
Zaletą jest elastyczność i skalowalność, a nie darmowy wzrost szybkości.
Dlaczego mają znaczenie dla AI
Akceleratory AI wymagają ogromnej mocy obliczeniowej, pamięci o dużej przepustowości oraz szybkich połączeń między kilkoma blokami przetwarzania. Chiplet pozwala projektantowi łączyć: układy obliczeniowe, układy wejścia/wyjścia, pamięć podręczną, pamięć o dużej przepustowości i wyspecjalizowane akceleratory. Architektura CDNA firmy AMD wykorzystuje zaawansowane metody montażu do łączenia technologii chipletowych i pamięci HBM w akceleratorach centrów danych. Cała branża zmierza również w kierunku otwartych standardów połączeń między chipletami, aby układy pochodzące z różnych zespołów projektowych, a docelowo także z różnych firm, mogły komunikować się za pośrednictwem wspólnych interfejsów. Może to sprawić, że procesory staną się bardziej modułowe, choć wyzwania komercyjne, związane z bezpieczeństwem i kompatybilnością nadal pozostają poważne.
Co to zmienia dla kupujących
Większość kupujących nie musi wybierać procesora tylko dlatego, że jest monolityczny lub oparty na chipletach. Korzyści są pośrednie: większa liczba rdzeni w danej cenie, większe pamięci podręczne, lepsza skalowalność produktów, bardziej wyspecjalizowane akceleratory oraz większa konkurencja między procesami produkcyjnymi. Chiplety mogą również wyjaśniać nietypowe zachowanie. Procesor może mieć różne opóźnienia między grupami rdzeni. GPU może w dużym stopniu zależeć od pamięci podręcznej i interkonektu. Konstrukcja z pamięcią podręczną ułożoną warstwowo może mieć inne limity termiczne niż wersja konwencjonalna. Architektura ma znaczenie wtedy, gdy zmienia rzeczywiste działanie w danym zadaniu, a nie dlatego, że słowo „chiplet” pojawia się w materiałach marketingowych.
Przyszłość najprawdopodobniej będzie mieszana
Niektóre procesory pozostaną monolityczne. Inne będą łączyć kilka chipletów. W niektórych pamięć podręczna lub pamięć będą układane warstwowo. Duże systemy AI mogą łączyć tak ściśle wiele pakietów, że granica między układem, modułem a komputerem stanie się mniej wyraźna. Celem nie jest stworzenie jak największej liczby elementów. Chodzi o umieszczenie każdej funkcji na odpowiednim krzemie, ekonomiczną produkcję oraz połączenie wszystkiego z odpowiednią szybkością, aby użytkownik doświadczał działania jednego systemu.
Chiplety zmieniają sposób budowy procesorów, ponieważ pozwalają projektantom odejść od traktowania jednej ogromnej matrycy jako jedynej drogi do stworzenia wydajnego układu. Same mniejsze elementy nie są przełomem. Przełomem jest sprawienie, by działały razem. Przeczytaj, dlaczego pamięć graficzna zyskuje strategiczne znaczenie, lub poznaj oferowany przez GPUsed sprzęt korporacyjny i centrów danych.