Что такое чиплет? Преимущества и недостатки чиплетного дизайна

Компьютер всегда был сложным электронным устройством и содержал в себе множество разных чипов. Процессор, сопроцессор, кэш-память, северный мост — с совершенствованием технологических процессов все это переехало под крышку центрального процессора и находится в одном-единственном чипе, что позволило сократить их количество на самой материнской плате. Однако в последние годы набирает обороты тенденция chiplet design, когда процессор «собирают» из нескольких чипов под крышкой — так называемых чиплетов. Что это такое, почему выгодно производителю и в чем плюсы для конечных пользователей?

Что такое чиплет

Чиплет (от английского chiplet) — микросхема, специально разработанная для совместной работы с другими себе подобными. Несколько чиплетов формируют одну более большую и сложную микросхему. Например такую, как центральный или графический процессор.

Обычные монолитные микросхемы имеют собственную подложку — тонкую пластину, посредством которой выводы чипа соединяются с массивом шаров из припоя. В случае с чиплетной микросхемой подложка для всех чиплетов используется общая. Сами чиплеты подключаются между собой соединениями внутри подложки, и только потом общие выводы с нескольких чипов соединяются с массивом алюминиевых шаров.

Первые чиплеты в массовых продуктах появились в семействе процессоров Ryzen Threadripper в 2017 году. Два равноценных кристалла Zeppelin, применявшихся в процессорах Ryzen 1000 серии, были объединены на одной подложке, что дало возможность увеличить количество ядер в Threadripper по сравнению с Ryzen 1000 серии вдвое — с 8 до 16. Сама подложка была рассчитана на четыре таких чипа, но использоваться полный набор стал лишь во втором поколении процессоров Threadripper. Тогда количество ядер топового процессора линейки достигло уже 32.

В зависимости от того, какие функции целевой микросхемы выполняет чиплет, его размеры, сложность и даже техпроцесс производства могут отличаться от других чиплетов, с которыми он образует единое целое. Например, начиная с серии процессоров Ryzen 3000, в отдельный чиплет вынесен чип ввода-вывода, который производится по 14 нм техпроцессу, так как потребляет он немного. При этом основные чиплеты, содержащие производительные и достаточно много потребляющие процессорные ядра, выполнены по 7 нм техпроцессу, что положительно сказывается на общей энергоэффективности.

Преимущества перехода на чиплеты

В данный момент широко использует чиплеты только один крупный игрок рынка — компания AMD. Процессоры Ryzen, в которых используется технология, с первого поколения разработаны с учетом чиплетной компоновки. Компания также готовит чиплетный дизайн для своих будущих графических процессоров. Об аналогичной разработке упоминала и конкурирующая NVIDIA. Intel тоже готовит будущие продукты с применением похожей технологии, однако слово «чиплет» предпочитает не использовать — вместо них говорится о фирменных компоновочных методиках под названием Foveros и EMIB.

Причин для перехода на чиплеты много как технических, так и экономических. Среди них:

●   Монолитные кристаллы для центральных процессоров и видеокарт достаточно крупные, и при использовании кремниевых пластин стандартного типоразмера 300 мм остается достаточно много неиспользованного места, которое потом утилизируется. При использовании более мелких кристаллов чиплетов можно задействовать больше полезной площади пластины и уменьшить количество утилизируемого кремния.

●   В одном продукте можно использовать чиплеты, произведенные по разным техпроцессам. Благодаря этому для некоторых мало потребляющих узлов чипа можно использовать более зрелые и «толстые» техпроцессы, у которых меньше уровень брака и дешевле производство пластины. Это положительно сказывается как на затратах производителя, так и на стоимости конечного продукта.

●   Чиплеты позволяют гибко конфигурировать готовый продукт, в отличие от монолитных кристаллов. В случае необходимости, компания-производитель может доработать один или несколько из чиплетов уже выпускаемого продукта, при этом не затрагивая остальные. Затрат на разработку такого продукта у производителя будет намного меньше, чем при планировании переделки уже существующего монолитного чипа и выпуска его модификации.

●   Современные техпроцессы, несмотря на все уменьшающуюся толщину и увеличивающуюся энергоэффективность, все больше становятся подвержены некоторым недостаткам. К ним относятся постоянно растущая стоимость производства одной пластины и увеличивающийся уровень брака на единицу площади по сравнению с более «толстыми» техпроцессами. Это приводит к тому, что кристаллы большого размера получаются дорогими и обладают высоким уровнем брака. Использование чиплетов помогает уменьшить количество брака на единицу продукта благодаря более мелким кристаллам. И, соответственно, сделать более дешевым выпуск чиплетного продукта со схожими характеристиками.

●   С помощью чиплетов гораздо проще наращивать производительность, чем при использовании монолитных чипов. Многоядерные вычисления центральных процессоров или графические вычисления видеокарт выигрывают от этого в полной мере — достаточно лишь увеличить количество чиплетов, чтобы поднять производительность чипа. При этом чиплеты все так же остаются маленькими и имеют малый уровень брака. В случае монолитной компоновки для дополнительных блоков вычислений придется заново проектировать весь чип и увеличивать кристалл. Оба этих шага значительно увеличат стоимость конечного продукта.

Недостатки использования чиплетов

Как и у любой технологии, у чиплетов есть свои недостатки. К ним относятся:

●   Главная проблема чиплетов — то, что общение чипов через проводники подложки приводит к дополнительным временным задержкам при передаче данных. Это критично как раз для целевой продукции, которая построена по чиплетной технологии — центральных и графических процессоров. Компаниям приходится дорабатывать продукты с учетом этих задержек, чтобы они не приносили существенного падения производительности в некоторых сценариях. В случае с продуктами, построенными на монолитных кристаллах, такой проблемы нет.

●   Несмотря на то, что технологии уже не первый год, до сих пор нет единых стандартов соединения чиплетов. Это усложняет разработку таких продуктов, и каждой компании приходится полагаться лишь на свои собственные силы и разработки. Только в марте этого года ведущие технологические компании договорились об образовании консорциума для совместной разработки и внедрения открытого стандарта соединения между чиплетами — Universal Chiplet Interconnect Express. Однако до применения его в реальных продуктах пройдет еще немало времени.

●   Изначальная разработка первых чиплетных продуктов каждой компании требует много денежных средств и времени. Это уже пройденный путь для AMD, но Intel и NVIDIA еще только готовятся к их выпуску. Дополнительные расходы, понесенные компаниями для разработки этих продуктов, в первое время могут повлиять на их цену для конечного пользователя не в лучшую сторону.

Перспективы развития чиплетной технологии

Развитие чиплетной технологии начиналось с соединения на одной подложке всего двух процессорных кристаллов, причем равноценных. Позже таких кристаллов стали соединять уже по четыре. В последних массовых процессорах AMD для декстопов используется три кристалла, среди высокопроизводительных моделей и моделей для серверов — уже до девяти.

В перспективе, количество чиплетов у топовых продуктов может достигать двузначных значений. Утечки говорят о том, что AMD уже готовит новое поколение серверных процессоров EPYC c 12 процессорными чиплетами под крышкой. Вместе с кристаллом ввода-вывода количество чиплетов у таких процессоров будет достигать 13, а количество ядер составит умопомрачительные 96 штук. Без чиплетной технологии на данный момент столько ядер в одном процессоре реализовать было бы практически невозможно.

Гибкость чиплетов открывает новые варианты не только для процессоров, но и для видеокарт. У графических процессоров, состоящих из нескольких чиплетов, проще масштабировать производительность. Разработав блок такого процессора, остается лишь корректировать общее количество соединяемых блоков и их тепловыделение для получения продуктов разного уровня производительности. В случае с монолитными кристаллами каждый из них придется разрабатывать отдельно. AMD и NVIDIA уже работают над такими графическими процессорами, решить в этом случае нужно только одну большую проблему — задержки. В этом случае поможет оптимизация архитектуры и увеличение кэшей, как в процессорах семейства Ryzen. Вполне возможно, что через несколько лет чиплеты в видеокартах станут таким же обычным делом, как и в процессорах.

Что до процессоров и видеокарт Intel — компания готовит к применению похожие технологии под собственными названиями Forevos и EMIB. Forevos нацелена на вертикальное расположение чипов друг на другом — этакую склейку. EMIB — на горизонтальное расположение рядом друг с другом, что более похоже на чиплеты, применяемые AMD. В готовых продуктах обе технологии будут использоваться вместе, что позволит втиснуть в ограниченное пространство как можно больше полезного кремния. Intel утверждает, что при такой компоновке задержки получаются гораздо меньше, чем у текущей реализации от AMD. Количество чиплетов в таких продуктах может составлять немыслимые 36.

Впрочем, не только Intel, но и AMD уже разработала и даже применяет вертикальную технологию чиплетов. В серверных процессорах EPYC 3 поколения, а также в десктопном процессоре Ryzen 7 5800X3D эта технология применяется для наложения дополнительного кеша поверх чиплетов с ядрами. Разработка получила название 3D V-Cache.

Как видите, чиплетную технологию ждет большое будущее. Со своими главными задачами — уменьшением количества брака чипов и упрощением наращивания производительности, она справляется превосходно. Именно благодаря чиплетам закон Мура останется актуальным в ближайшие годы, что без этой технологии было бы практически невозможно.