Čipletové riešenia rozdeľujú zložitý procesor na menšie špecializované čipy a potom využívajú pokročilé puzdrenie, aby sa správali ako jeden systém.
Čipletový procesor rozdeľuje jeden zložitý čip na niekoľko menších častí a potom ich prepája v rámci toho istého puzdra.
Namiesto výroby každého jadra CPU, radiča pamäte, grafického bloku a funkcie vstupu/výstupu na jednom obrovskom kuse kremíka môžu konštruktéri vyrábať špecializované čipy samostatne a následne ich skombinovať.
To môže znížiť výrobný odpad, umožniť využívať rôzne výrobné procesy pre rôzne funkcie a uľahčiť škálovanie jednej architektúry. Zároveň to prináša nový problém: niekoľko čipov sa musí správať ako jeden.
Tradičný prístup: jeden monolitický čip
Bežný procesor je vyrobený ako jeden kremíkový čip. Tento čip môže obsahovať:
- výpočtové jadrá
- vyrovnávacia pamäť
- radiče pamäte
- grafika
- grafické jednotky
- PCIe
- a ďalšie funkcie vstupu/výstupu.
Monolitický návrh má dôležité výhody. Dáta sa môžu v rámci čipu presúvať cez tesne integrované prepojenia. So systémom sa ľahšie zaobchádza ako s jedným fyzickým komponentom. Latencia a správanie softvéru môžu byť predvídateľnejšie. Nevýhoda sa prejaví, keď sa čip zväčšuje. Kremíkové wafre obsahujú nevyhnutné chyby. Malá chyba môže znehodnotiť oveľa väčší kus hodnotného kremíka. Na každý wafer sa tiež zmestí menej veľkých čipov.
Čím je procesor väčší a zložitejší, tým náročnejšie je vyrábať ho efektívne.
Čipletové riešenie rozdeľuje riziko
Predstavte si veľký procesor rozdelený na štyri menšie čipy. Ak chybu zasiahne jeden malý čip, ostatné bezchybné čipy môžu byť stále použiteľné. Menšie časti sa tiež na kremíkový wafer umiestnia efektívnejšie. To môže zlepšiť výťažnosť výroby a znížiť náklady na výrobu veľmi veľkého procesora ako celku. Jednotlivé časti nemusia byť totožné. Jedno puzdro môže kombinovať:
- čipy pre vysokovýkonné výpočty
- čip vstupu/výstupu
- grafika
- akcelerácia umelej inteligencie
- vyrovnávacia pamäť
- a špecializované rozhrania.
Každý blok sa stane stavebným prvkom.
Rozličné úlohy môžu využívať rôzne výrobné procesy
Najpokročilejší výrobný proces je drahý a nie je rovnako užitočný pre každú funkciu. Vysokovýkonné jadrá CPU môžu ťažiť z menších tranzistorov. Vstupno-výstupné obvody, analógové funkcie a pamäťové rozhrania nemusia potrebovať rovnaký špičkový výrobný proces. Niektoré môžu fungovať lepšie alebo hospodárnejšie na zrelom výrobnom uzle. Čiplety umožňujú dizajnérom použiť pre každú úlohu vhodný výrobný proces.
Grafický dizajn AMD RDNA 3 napríklad kombinoval 5 nm grafický výpočtový čipový plátok so 6 nm čipletmi pamäťovej vyrovnávacej pamäte. Nešlo jednoducho o vytvorenie väčšieho počtu častí. Cieľom bolo umiestniť rôzne funkcie na výrobné procesy, ktoré im vyhovujú. Intel túto širšiu myšlienku opisuje ako heterogénnu integráciu: kombinovanie čipletov vytvorených pre rôzne funkcie a potenciálne využívajúcich rôzne výrobné technológie.
CPU zviditeľnili čiplety
Procesorové rodiny AMD Zen pomohli presadiť čipletový dizajn v bežných stolných počítačoch a serverových CPU. Puzdro procesora Ryzen alebo EPYC môže kombinovať jeden alebo viac čipletov s komplexom jadier so samostatným vstupno-výstupným čipletom. Tento prístup uľahčuje škálovanie počtu jadier. Bežný stolný procesor môže používať jeden alebo dva výpočtové čiplety. Serverový procesor ich môže mať okolo centrálneho vstupno-výstupného systému oveľa viac. Spoločnosť tak nemusí navrhovať jeden obrovský jedinečný monolitický čipový plátok pre každý počet jadier. Rovnaký stavebný prvok sa môže objaviť vo viacerých produktoch.
GPU sa rozdeľujú ťažšie
Grafické úlohy závisia od presunu obrovského množstva dát medzi výpočtovými jednotkami, vyrovnávacou pamäťou a pamäťou. Rozdelenie GPU preto môže spôsobiť problémy s latenciou a šírkou pásma. Architektúra AMD RDNA 3 používala centrálne grafické výpočtové jadro prepojené so samostatnými čipletmi pamäťovej vyrovnávacej pamäte. Spoločnosť uviedla, že prepojenie medzi nimi môže dosahovať rýchlosť až 5,3 TB/s. Ide o maximálnu hodnotu uvádzanú výrobcom, nie o reálnu priepustnosť pri hraní. Ilustruje však rozsah potrebného prepojenia.
Čipletové GPU sa nemôže správať ako niekoľko voľne prepojených grafických kariet. Čipové plátky potrebujú rýchlu a koherentnú komunikáciu, aby softvér mohol produkt vnímať ako jedno GPU. Preto návrh čipletovej grafiky nie je jednoducho „opätovné použitie metódy CPU“.
Puzdro sa stáva súčasťou architektúry
Po rozdelení procesora sa kľúčovou súčasťou stáva puzdro, ktoré ho prepája. Tradičné spoje v puzdre nemusia poskytovať dostatočnú šírku pásma ani energetickú efektívnosť. Medzi pokročilé prístupy patria:
2,5D integrácia
Niekoľko čipových plátkov je umiestnených vedľa seba a komunikuje prostredníctvom interposera alebo vysokohustotnej redistribučnej vrstvy.
3D vrstvenie
Jedno jadro je umiestnené nad druhým, čím vznikajú oveľa kratšie vertikálne prepojenia.
Hybridné prístupy
Logiku, vyrovnávaciu pamäť a pamäť možno umiestniť vedľa seba aj nad sebou prostredníctvom viacerých technológií puzdrenia. Rodina Intel Foveros je príkladom pokročilej 2,5D a 3D integrácie. AMD tiež kombinuje čiplety s pokročilým puzdrením vo svojich procesoroch CPU, GPU a akcelerátoroch. Puzdro už nie je iba objektom chrániacim kremík. Určuje, ako systém komunikuje, prijíma napájanie a odvádza teplo.
Prečo neurobiť všetko ako čiplety?
Čiplety prinášajú aj vlastné náklady.
Komunikačná réžia
Prenos údajov medzi jadrami môže trvať dlhšie a spotrebovať viac energie než prenos v rámci jedného jadra.
Náklady na puzdrenie
Pokročilé interposery, spájanie a montáž môžu byť nákladné.
Hustota tepla
Vrstvenie jadier môže sťažiť odvádzanie tepla.
Testovanie
Každý čiplet aj výsledné puzdro treba otestovať. Jeden chybný komponent môže stále ovplyvniť zostavený produkt.
Softvér a plánovanie
Operačný systém a aplikácie možno budú musieť rozumieť rozdielom v latencii, vyrovnávacej pamäti alebo umiestnení jadier.
Rozsah produktu
Malý lacný procesor môže byť lacnejší a jednoduchší ako jedno monolitické jadro.
Čiplety sú návrhový nástroj, nie univerzálne vylepšenie.
Sú čiplety automaticky rýchlejšie?
Nie. Čiplety môžu ekonomicky umožniť vytvorenie oveľa väčšieho alebo špecializovanejšieho procesora. Takýto systém môže byť rýchlejší, pretože obsahuje viac jadier, vyrovnávacej pamäte, pamäte alebo akceleračných prvkov. Samotné usporiadanie čipletov však prináša aj komunikačnú réžiu. Dobre navrhnutý monolitický čip môže prekonať zle navrhnutý systém s viacerými jadrami. Výkon závisí od:
- architektúra
- pracovné zaťaženie
- prepojenie
- vyrovnávacia pamäť
- pamäť
- puzdrenie
- softvér
- a spotreba energie.
Výhodou je flexibilita a škálovateľnosť, nie výkon zadarmo.
Prečo sú dôležité pre AI
Akcelerátory AI vyžadujú obrovský výpočtový výkon, pamäť s vysokou priepustnosťou a rýchle prepojenia medzi viacerými výpočtovými blokmi. Čipletová technológia umožňuje návrhárovi kombinovať: výpočtové jadrá, I/O, vyrovnávaciu pamäť, pamäť s vysokou priepustnosťou a špecializovanú akceleráciu. Architektúra AMD CDNA využíva pokročilé puzdrenie na kombinovanie čipletových technológií a pamäte HBM v dátových akcelerátoroch. Celé odvetvie sa tiež posúva k otvoreným štandardom pre prepojenie čipletov, aby jadrá z rôznych návrhových tímov alebo napokon aj rôznych spoločností mohli komunikovať prostredníctvom spoločných rozhraní. Procesory by tak mohli byť modulárnejšie, hoci obchodné, bezpečnostné a kompatibilitné výzvy zostávajú značné.
Čo to mení pre kupujúcich
Väčšina kupujúcich si nemusí vyberať procesor podľa toho, či je monolitický alebo založený na čipletovej architektúre. Užitočné výsledky sú nepriame: viac jadier za danú cenu, väčšie vyrovnávacie pamäte, lepšie škálovanie produktov, špecializovanejšie akcelerátory a väčšia konkurencia medzi výrobnými procesmi. Čiplety môžu tiež vysvetľovať nezvyčajné správanie. Procesor môže mať medzi skupinami jadier rozdielnu latenciu. GPU môže byť výrazne závislé od svojej vyrovnávacej pamäte a prepojenia. Konštrukcia s vrstvenou vyrovnávacou pamäťou môže mať iné tepelné limity než konvenčná verzia. Architektúra je dôležitá vtedy, keď mení skutočné pracovné zaťaženie, nie preto, že sa v marketingu objaví slovo „čiplet“.
Budúcnosť bude pravdepodobne zmiešaná
Niektoré procesory zostanú monolitické. Iné skombinujú niekoľko čipletov. Niektoré budú vertikálne vrstviť vyrovnávaciu pamäť alebo pamäť. Veľké systémy umelej inteligencie môžu prepájať toľko puzdier tak tesne, že hranica medzi čipom, modulom a počítačom bude menej zreteľná. Cieľom nie je vytvoriť čo najväčší počet častí. Ide o umiestnenie každej funkcie na správny kremík, ekonomickú výrobu a dostatočne rýchle prepojenie všetkého tak, aby používateľ vnímal jeden systém.
Čiplet mení spôsob výroby procesorov, pretože konštruktérom umožňuje prestať považovať jeden obrovský čip za jedinú cestu k výkonnému procesoru. Samotné menšie časti nie sú prelomové. Prelomové je dosiahnuť, aby spolupracovali. Prečítajte si, prečo sa grafická pamäť stáva strategicky dôležitou, alebo si pozrite podnikový hardvér a hardvér dátových centier od spoločnosti GPUsed.