Os chiplets dividem um processador complexo em chiplets especializados mais pequenos e utilizam depois um encapsulamento avançado para fazê-los funcionar como um único sistema.
Um processador com chiplets divide um chip complexo em várias peças mais pequenas e liga-as dentro do mesmo encapsulamento.
Em vez de fabricar cada núcleo de CPU, controlador de memória, bloco gráfico e função de entrada/saída numa única peça enorme de silício, os designers podem construir chiplets especializados separadamente e combiná-los.
Isto pode reduzir o desperdício de fabrico, permitir que diferentes funções utilizem diferentes processos de produção e facilitar a expansão de uma arquitetura. Também cria um novo problema: vários chips têm de funcionar como um só.
A abordagem tradicional: um chiplet monolítico
Um processador convencional é construído como um único chiplet de silício. Esse chiplet pode conter:
- núcleos de computação
- cache
- controladores de memória
- gráficos
- motores gráficos
- PCIe
- e outras funções de entrada/saída.
Um design monolítico tem vantagens importantes. Os dados podem circular dentro do chiplet através de ligações estreitamente integradas. É mais fácil tratar o sistema como um único componente físico. A latência e o comportamento do software podem ser mais previsíveis. A desvantagem torna-se evidente à medida que o chiplet aumenta de tamanho. As bolachas de silício contêm defeitos inevitáveis. Um pequeno defeito pode inutilizar uma peça muito maior de silício valioso. Os chiplets de grandes dimensões também cabem menos vezes em cada bolacha.
Quanto maior e mais complexo se torna o processador, mais difícil é fabricá-lo de forma eficiente.
Os chiplets dividem o risco
Imagine um processador de grandes dimensões dividido em quatro chiplets mais pequenos. Se um defeito afetar um chiplet pequeno, os outros chiplets em bom estado poderão continuar a ser utilizáveis. As peças mais pequenas também se adaptam à bolacha de silício de forma mais eficiente. Isto pode melhorar o rendimento do fabrico e reduzir o custo de produção de um processador total muito grande. As peças não têm de ser idênticas. Um encapsulamento pode combinar:
- chiplets de computação de alto desempenho
- um chiplet de entrada/saída
- gráficos
- Aceleração de IA
- cache
- e interfaces especializadas.
Cada bloco transforma-se num componente do sistema.
Diferentes tarefas podem utilizar diferentes processos de fabrico
O processo de fabrico mais avançado é dispendioso e não é igualmente útil para todas as funções. Os núcleos de CPU de alto desempenho podem beneficiar de transístores mais pequenos. Os circuitos de entrada/saída, as funções analógicas e as interfaces de memória podem não precisar do mesmo processo de ponta. Algumas funções podem funcionar melhor ou de forma mais económica num nó de processo maduro. Os chiplets permitem aos designers utilizar o processo adequado para cada tarefa.
O design gráfico RDNA 3 da AMD, por exemplo, combinou um die de computação gráfica de 5 nm com dies de cache de memória de 6 nm. O objetivo não era simplesmente criar mais peças. Era colocar funções diferentes em processos adequados às mesmas. A Intel descreve a mesma ideia mais abrangente como integração heterogénea: combinar chiplets concebidos para funções diferentes e que podem utilizar tecnologias de processo distintas.
As CPUs tornaram os chiplets familiares
As famílias de processadores Zen da AMD ajudaram a popularizar o design com chiplets nos processadores para computadores de secretária e servidores. Um encapsulamento Ryzen ou EPYC pode combinar um ou mais dies de complexos de núcleos com um die separado de entrada/saída. Esta abordagem facilita o aumento do número de núcleos. Um processador para computadores de secretária convencional pode utilizar um ou dois dies de computação. Um processador para servidores pode utilizar muitos mais em torno de um sistema central de E/S. A empresa não precisa de conceber um único die monolítico enorme e exclusivo para cada número de núcleos. O mesmo bloco de construção pode surgir em vários produtos.
As GPUs são mais difíceis de dividir
As cargas de trabalho gráficas dependem da movimentação de enormes quantidades de dados entre unidades de computação, cache e memória. Dividir uma GPU pode, por isso, criar problemas de latência e largura de banda. A arquitetura RDNA 3 da AMD utilizou um die central de computação gráfica ligado a dies separados de cache de memória. A empresa afirmou que a interligação entre eles podia funcionar a até 5,3 TB/s. Trata-se de um valor de pico indicado pelo fabricante, não do débito real em jogos. Ilustra a escala da ligação necessária.
Uma GPU com chiplets não pode comportar-se como várias placas gráficas pouco interligadas. Os dies precisam de comunicação rápida e coerente, para que o software possa tratar o produto como uma única GPU. É por isso que o design gráfico com chiplets não consiste simplesmente em «voltar a usar o método das CPUs».
O encapsulamento torna-se parte da arquitetura
Depois de o processador ser dividido, o encapsulamento que o liga torna-se fundamental. As pistas tradicionais do encapsulamento podem não fornecer largura de banda ou eficiência energética suficientes. As abordagens avançadas incluem:
Integração 2.5D
Vários dies ficam lado a lado e comunicam através de um interposer ou de uma camada de redistribuição de alta densidade.
Empilhamento 3D
Um die fica sobre outro, criando ligações verticais muito mais curtas.
Abordagens híbridas
A lógica, a cache e a memória podem ser colocadas lado a lado e umas sobre as outras através de várias tecnologias de encapsulamento. A família Foveros da Intel é um exemplo de integração 2,5D e 3D avançada. A AMD também combina chiplets com encapsulamento avançado em produtos de CPU, GPU e aceleradores. O encapsulamento já não é apenas o objeto que protege o silício. Determina como o sistema comunica, recebe energia e remove calor.
Porque não fazer tudo com chiplets?
Os chiplets introduzem custos próprios.
Sobrecarga de comunicação
A transferência de dados entre dies pode demorar mais tempo e consumir mais energia do que a transferência dentro de um único die.
Custo do encapsulamento
Interpositores avançados, união e montagem podem ser dispendiosos.
Densidade térmica
Empilhar dies pode dificultar a remoção do calor.
Testes
Cada chiplet e o encapsulamento final precisam de ser testados. Um componente defeituoso pode continuar a afetar o produto montado.
Software e escalonamento
O sistema operativo e as aplicações podem precisar de compreender as diferenças de latência, cache ou localização dos núcleos.
Escala do produto
Um processador pequeno e económico pode ser mais barato e simples como um único die monolítico.
Os chiplets são uma ferramenta de design, não uma melhoria universal.
Os chiplets são automaticamente mais rápidos?
Não. Os chiplets podem tornar economicamente viável um processador muito maior ou mais especializado. Esse sistema pode ser mais rápido porque contém mais núcleos, cache, memória ou aceleração. A própria disposição dos chiplets também introduz sobrecarga de comunicação. Um chip monolítico bem concebido pode superar um sistema com vários dies mal concebido. O desempenho depende de:
- arquitetura
- carga de trabalho
- interligação
- cache
- memória
- encapsulamento
- software
- e energia.
A vantagem é a flexibilidade e a escala, não um aumento de velocidade gratuito.
Porque são importantes para a IA
Os aceleradores de IA precisam de enorme capacidade de computação, memória de alta largura de banda e ligações rápidas entre vários blocos de processamento. Os chiplets permitem a um projetista combinar: dies de computação, E/S, cache, memória de alta largura de banda e aceleração especializada. A arquitetura CDNA da AMD utiliza encapsulamento avançado para combinar tecnologias de chiplets e HBM em aceleradores para centros de dados. A indústria em geral também está a avançar para normas abertas de interligação de chiplets, para que dies de diferentes equipas de design, ou eventualmente de diferentes empresas, possam comunicar através de interfaces comuns. Isso poderá tornar os processadores mais modulares, embora os desafios comerciais, de segurança e de compatibilidade continuem a ser substanciais.
O que isto muda para os compradores
A maioria dos compradores não precisa de escolher um processador por ser monolítico ou baseado em chiplets. Os resultados úteis são indiretos: mais núcleos por um determinado preço, caches maiores, melhor escalabilidade dos produtos, aceleradores mais especializados e maior concorrência entre processos de fabrico. Os chiplets também podem explicar comportamentos invulgares. Um processador pode ter latências diferentes entre grupos de núcleos. Uma GPU pode depender fortemente da sua cache e interligação. Um design com cache empilhada pode ter limites térmicos diferentes dos de uma versão convencional. A arquitetura é importante quando altera a carga de trabalho real, não porque a palavra “chiplet” aparece no marketing.
É provável que o futuro seja misto
Alguns processadores continuarão a ser monolíticos. Outros combinarão vários chiplets. Alguns empilharão cache ou memória verticalmente. Os grandes sistemas de IA poderão ligar tantos módulos com tanta proximidade que a fronteira entre chip, módulo e computador se tornará menos evidente. O objetivo não é criar o maior número possível de peças. É colocar cada função no silício adequado, fabricá-la de forma económica e ligar tudo com rapidez suficiente para que o utilizador tenha a experiência de um único sistema.
Os chiplets estão a mudar a forma como os processadores são construídos, porque permitem aos designers deixar de considerar uma única matriz enorme como o único caminho para criar um chip potente. As peças mais pequenas não são, por si só, a grande inovação. A grande inovação é fazê-las funcionar em conjunto. Leia porque é que a memória gráfica está a tornar-se estrategicamente importante ou explore o hardware empresarial e de centros de dados da GPUsed.