Cipurile mici împart un procesor complex în cipuri specializate mai mici, apoi folosesc ambalarea avansată pentru a le face să se comporte ca un singur sistem.
Un procesor cu cipuri mici împarte un cip complex în mai multe piese mai mici, apoi le conectează în același pachet.
În loc să fabrice fiecare nucleu CPU, controler de memorie, bloc grafic și funcție de intrare/ieșire pe o singură bucată enormă de siliciu, proiectanții pot construi separat cipuri specializate și le pot combina.
Acest lucru poate reduce risipa de producție, permite utilizarea unor procese de producție diferite pentru funcții diferite și facilitează extinderea unei arhitecturi. De asemenea, creează o nouă problemă: mai multe cipuri trebuie să se comporte ca unul singur.
Abordarea tradițională: un singur cip monolitic
Un procesor convențional este construit ca un singur cip de siliciu. Acest cip poate conține:
- nuclee de calcul
- cache
- controlere de memorie
- grafică
- motoare de afișare
- PCIe
- și alte funcții de intrare/ieșire.
Un design monolitic are avantaje importante. Datele se pot deplasa în interiorul cipului prin conexiuni strâns integrate. Sistemul este mai ușor de tratat ca o singură componentă fizică. Latența și comportamentul software pot fi mai previzibile. Dezavantajul apare pe măsură ce cipul devine mai mare. Plachetele de siliciu conțin defecte inevitabile. Un defect mic poate compromite o bucată mult mai mare de siliciu valoros. Cipurile mari se potrivesc, de asemenea, de mai puține ori pe fiecare plachetă.
Cu cât procesorul devine mai mare și mai complex, cu atât este mai greu de fabricat eficient.
Cipurile mici distribuie riscul
Imaginați-vă un procesor mare împărțit în patru cipuri mai mici. Dacă un defect afectează un cip mic, celelalte cipuri funcționale pot fi totuși utilizabile. Piesele mai mici se potrivesc, de asemenea, mai eficient pe placheta de siliciu. Acest lucru poate îmbunătăți randamentul producției și reduce costul fabricării unui procesor total foarte mare. Piesele nu trebuie să fie identice. Un pachet poate combina:
- cipuri pentru calcul de înaltă performanță
- un cip I/O
- grafică
- Accelerare AI
- cache
- și interfețe specializate.
Fiecare bloc devine o componentă de construcție.
Procesele de fabricație pot varia în funcție de utilizare
Cel mai avansat proces de fabricație este costisitor și nu este la fel de util pentru orice funcție. Nucleele CPU de înaltă performanță pot beneficia de tranzistori mai mici. Circuitele de intrare/ieșire, funcțiile analogice și interfețele de memorie pot să nu aibă nevoie de același proces de ultimă generație. Unele pot funcționa mai bine sau mai economic pe un nod matur. Chipleturile le permit proiectanților să folosească procesul potrivit pentru fiecare sarcină.
Designul grafic RDNA 3 de la AMD, de exemplu, a combinat un cip de calcul grafic de 5 nm cu cipuri de 6 nm pentru memoria cache. Scopul nu a fost pur și simplu crearea mai multor componente. A fost utilizarea unor procese potrivite pentru funcții diferite. Intel descrie aceeași idee mai largă drept integrare eterogenă: combinarea unor chipleturi concepute pentru funcții diferite și care pot utiliza tehnologii de fabricație diferite.
Procesoarele au făcut chipleturile cunoscute
Familiile de procesoare Zen de la AMD au contribuit la popularizarea designului cu chipleturi în procesoarele desktop și server. Un pachet Ryzen sau EPYC poate combina unul sau mai multe cipuri cu complexe de nuclee cu un cip separat de intrare/ieșire. Această abordare facilitează extinderea numărului de nuclee. Un procesor desktop obișnuit poate folosi unul sau două cipuri de calcul. Un procesor pentru server poate folosi mult mai multe în jurul unui sistem central de intrare/ieșire. Compania nu trebuie să proiecteze un singur cip monolitic, enorm și unic pentru fiecare număr de nuclee. Același bloc de bază poate apărea în mai multe produse.
GPU-urile sunt mai dificil de împărțit
Sarcinile grafice depind de deplasarea unor cantități enorme de date între unitățile de calcul, memoria cache și memorie. Prin urmare, împărțirea unui GPU poate crea probleme de latență și lățime de bandă. Arhitectura RDNA 3 de la AMD a folosit un cip central de calcul grafic conectat la cipuri separate pentru memoria cache. Compania a declarat că interconectarea dintre acestea putea funcționa la până la 5,3 TB/s. Aceasta este o valoare de vârf indicată de producător, nu debitul real în jocuri. Ea ilustrează amploarea conexiunii necesare.
Un GPU cu chipleturi nu poate funcționa ca mai multe plăci grafice conectate superficial. Cipurile au nevoie de o comunicare rapidă și coerentă, astfel încât software-ul să poată trata produsul ca pe un singur GPU. De aceea, proiectarea grafică bazată pe chipleturi nu înseamnă pur și simplu „să folosești din nou metoda CPU-urilor”.
Capsularea devine parte a arhitecturii
Odată ce procesorul este împărțit, pachetul care îl conectează devine esențial. Traseele tradiționale ale capsulei pot să nu ofere suficientă lățime de bandă sau eficiență energetică. Printre abordările avansate se numără:
Integrare 2,5D
Mai multe cipuri sunt amplasate unul lângă altul și comunică printr-un interpozitor sau un strat de redistribuire de înaltă densitate.
Stivuire 3D
Un cip este amplasat deasupra altuia, creând conexiuni verticale mult mai scurte.
Abordări hibride
Logica, cache-ul și memoria pot fi amplasate una lângă alta și una deasupra celeilalte prin intermediul mai multor tehnologii de încapsulare. Familia Foveros de la Intel este un exemplu de integrare avansată 2.5D și 3D. AMD combină, de asemenea, chipleturile cu încapsularea avansată în produsele sale pentru CPU, GPU și acceleratoare. Pachetul nu mai este doar obiectul care protejează siliciul. Acesta determină modul în care sistemul comunică, primește alimentare și elimină căldura.
De ce să nu facem totul sub formă de chipleturi?
Chipleturile au propriile costuri.
Costul comunicării
Datele care se deplasează între cipuri pot necesita mai mult timp și energie decât cele care se deplasează în interiorul unui singur cip.
Costul încapsulării
Interpozitoarele avansate, lipirea și asamblarea pot fi costisitoare.
Densitatea termică
Stivuirea cipurilor poate îngreuna eliminarea căldurii.
Testare
Fiecare chiplet și pachetul final trebuie testate. O componentă slabă poate afecta în continuare produsul asamblat.
Software și planificarea execuției
Sistemul de operare și aplicațiile trebuie să înțeleagă diferențele de latență, cache sau amplasare a nucleelor.
Dimensiunea produsului
Un procesor mic și ieftin poate fi mai accesibil și mai simplu dacă este realizat pe un singur cip monolitic.
Chipleturile sunt un instrument de proiectare, nu o îmbunătățire universală.
Sunt chipleturile automat mai rapide?
Nu. Chipleturile pot face posibil din punct de vedere economic un procesor mult mai mare sau mai specializat. Un astfel de sistem poate fi mai rapid deoarece conține mai multe nuclee, cache, memorie sau capacitate de accelerare. Configurația cu chipleturi introduce, de asemenea, un cost de comunicare. Un cip monolitic bine proiectat poate depăși un sistem cu mai multe cipuri proiectat necorespunzător. Performanța depinde de:
- arhitectură
- sarcină de lucru
- interconectare
- cache
- memorie
- încapsulare
- software
- și consumul de energie.
Avantajul este flexibilitatea și scalarea, nu viteza obținută gratuit.
De ce sunt importante pentru AI
Acceleratoarele AI necesită o putere de calcul enormă, memorie cu lățime de bandă mare și conexiuni rapide între mai multe blocuri de procesare. Chipleturile permit unui proiectant să combine: cipuri de calcul, I/O, cache, memorie cu lățime de bandă mare și accelerare specializată. Arhitectura CDNA de la AMD folosește tehnologii avansate de încapsulare pentru a combina tehnologiile cu chipleturi și HBM în acceleratoarele pentru centre de date. Întreaga industrie se îndreaptă, de asemenea, către standarde deschise de interconectare a chipleturilor, astfel încât cipurile provenite de la echipe diferite de proiectare sau, în cele din urmă, de la companii diferite să poată comunica prin interfețe comune. Acest lucru ar putea face procesoarele mai modulare, deși provocările comerciale, de securitate și de compatibilitate rămân substanțiale.
Ce se schimbă pentru cumpărători
Majoritatea cumpărătorilor nu trebuie să aleagă un procesor doar pentru că este monolitic sau bazat pe chipleturi. Rezultatele utile sunt indirecte: mai multe nuclee la un anumit preț, cache-uri mai mari, scalare mai bună a produselor, acceleratoare mai specializate și concurență mai mare între procesele de fabricație. Chipleturile pot explica și comportamente neobișnuite. Un procesor poate avea latențe diferite între grupurile de nuclee. Un GPU poate depinde în mare măsură de cache-ul și interconectarea sa. Un design cu cache suprapus poate avea limite termice diferite față de o versiune convențională. Arhitectura contează atunci când schimbă volumul de lucru real, nu pentru că „chiplet” apare în marketing.
Viitorul va fi probabil mixt
Unele procesoare vor rămâne monolitice. Altele vor combina mai multe chipleturi. Unele vor suprapune cache-ul sau memoria pe verticală. Sistemele mari de inteligență artificială pot conecta atât de strâns numeroase capsule, încât granița dintre cip, modul și computer devine mai puțin evidentă. Obiectivul nu este crearea celui mai mare număr de piese. Este plasarea fiecărei funcții pe siliciul potrivit, fabricarea sa în mod economic și conectarea tuturor componentelor suficient de rapid încât utilizatorul să experimenteze un singur sistem.
Chipleturile schimbă modul în care sunt construite procesoarele, deoarece le permit proiectanților să nu mai considere o singură pastilă de siliciu enormă drept singura cale către un cip puternic. Piesele mai mici nu reprezintă singure revoluția. Revoluția constă în a le face să funcționeze împreună. Citește de ce memoria grafică devine importantă strategic sau explorează hardware-ul pentru întreprinderi și centre de date oferit de GPUsed.