С 2019 года полупроводниковая промышленность постепенно переходит к новой философии проектирования микросхем: чиплетам. На первый взгляд может показаться, что это довольно незначительное изменение, поскольку на самом деле происходит лишь разделение чипа на более мелкие части. Кроме того, не все компании это делают, и даже те компании, которые это делают, не переходят полностью на чиплеты. Действительно ли чиплеты так важны?
Что ж, несмотря на все это, чиплеты будут очень важны для полупроводниковой промышленности. Это не только противоречит недавним проблемам, с которыми столкнулись многие компании, но теперь, когда AMD и Intel добились больших успехов с чипсетами, их конкурентам определенно придется подумать о том, чтобы последовать их примеру, чтобы не оказаться в невыгодном положении.
Чиплеты и две компании, использующие их для революции в процессорах
Чиплет — это именно то, на что он похож: маленький чип с лишь частичной функциональностью. Вся идея чиплетов заключается в том, что вместо того, чтобы делать процессор на одном куске кремния (также называемом монолитным), у вас есть несколько чипов, каждый из которых содержит некоторую часть процессора. Хотя вполне естественно иметь один чиплет для каждой функции (например, один для ядер, один для подключения, один для графики и т. д.), иногда желательно поместить в один процессор множество одинаковых чиплетов, что полезно для добавления большего количества ядер для пример.
AMD была компанией, которая действительно придумала (или, по крайней мере, популяризировала) и представила концепцию чиплетов. В 2017 году у него была базовая конструкция многочипового модуля с оригинальными процессорами Zen, в которых модели более высокого класса использовали несколько чипов ЦП для увеличения количества ядер вместо использования одного более крупного чипа. Но с выпуском Zen 2 в 2019 году AMD разделила свои процессоры пополам: один чиплет для ядер процессора, а другой для всего остального, например, линий PCIe и разъемов оперативной памяти.
Тем временем Intel пытается догнать собственную реализацию чиплетов, которые компания называет плитками. Несмотря на то, что ее первые процессоры-чиплеты вошли в игру гораздо позже AMD, ее первые чиплеты наконец появились в этом году, и они довольно сложны. Графический процессор центра обработки данных Ponte Vecchio имеет несколько плиток, заполненных ядрами графического процессора, пару плиток для кэша, плитку для видеопамяти HBM2 и еще две плитки для подключения. Meteor Lake — это четырехпанельное решение для массового рынка, и хотя оно предназначено исключительно для ноутбуков, его преемник Arrow Lake появится на настольных компьютерах в следующем году, и оно довольно похоже.
Другие компании, такие как Fujitsu и Broadcom, заявили о своем намерении производить процессоры с чипсетами, но AMD и Intel на данный момент являются единственными, кто запускает продукты на базе чиплетов и производит их в больших объемах. Однако, особенно для высокопроизводительных вычислений, похоже, переход на чиплеты станет необходимым, чтобы сохранить игру.
Чиплеты позволяют создать более интеллектуальную конструкцию процессора
Источник: Интел
Что особенно интересно в чиплетах, так это то, насколько разнообразна их польза. Чиплеты не являются чем-то одноразовым, как трассировка лучей, и не чем-то крайне расплывчатым или неспецифичным, как ИИ. Чиплеты обладают явными и явными преимуществами, которые во многих случаях делают монолитные процессоры полностью устаревшими.
Одна из вещей, о которой AMD и Intel часто говорят о чипсетах, — это то, как с их помощью становится проще предлагать более конкретные решения для определенных рынков и клиентов. Увеличивать и уменьшать количество ядер или заменять один чипсет на другой, более подходящий, очень просто. Например, серверные процессоры AMD не только имеют больше чипсетов, чем модели для настольных ПК, но также имеют больший и лучший кристалл ввода-вывода (для подключения). AMD также может добавить еще один уровень с помощью своих чиплетов 3D V-Cache как для потребительских, так и для серверных процессоров, что еще больше предложит покупателям больше возможностей.
Вы также можете подумать, что повторное использование чиплетов из поколения в поколение возможно, пока они достаточно хороши, и это ключевое преимущество тайловой системы Intel. В то время как у AMD есть ядро ЦП и чиплеты ввода-вывода (плюс чиплеты кэша), у Intel есть плитки для ядер, один для графики, один для функций SOC и один для функций ввода-вывода. Хотя это полезно для предложения нескольких версий этих плиток, подход Intel позволяет компании не заменять плитки до тех пор, пока это не будет абсолютно необходимо, поскольку у него больше функций, распределенных по большему количеству плиток. Например, если Intel хочет обновить свое оборудование искусственного интеллекта, ей просто нужно заменить плитку SOC.
Хотя хранение старых плиток дольше позволяет сэкономить деньги, это также облегчает обоснование постепенного добавления новых функций, чем раньше. Мы привыкли обновлять поколения каждый год или два и получать сразу массу вещей; чиплеты могут значительно ускорить цикл обновления.
Чиплеты также улучшают производство
Однако это всего лишь соображения дизайна, мы даже не дошли до производства, которое с чипсетами обходится намного дешевле. Это происходит из-за того, что при производстве процессоров возникают дефекты, а суть в том, что более крупные чипы более склонны к дефектам, что снижает объем производства. К тому же, чипы меньшего размера гораздо менее подвержены дефектам, вплоть до того, что чиплеты фактически существенно экономят на производстве. Еще более выражен эффект в совершенно новых технологических узлах с высоким уровнем дефектов, из-за которых большие чипы практически не могут быть коммерчески жизнеспособными.
Но, пожалуй, самым большим достижением для чиплетов, когда дело доходит до производства, является закон Мура, согласно которому количество транзисторов в чипе должно удваиваться каждые два года. Что это на самом деле означает в реальном мире, довольно туманно, но это очень применимо в высокопроизводительных вычислениях для процессоров, которые бьют рекорды по количеству транзисторов. Если закон Мура по-прежнему верен, как и в течение 50 лет, через два года мы должны увидеть чип, в котором будет вдвое больше транзисторов, чем в самом большом сегодня чипе.
Между компаниями и аналитиками очень горячо обсуждается вопрос о том, умер ли закон Мура, но нет сомнений в том, что становится все труднее совершенствовать технологические узлы, то есть то, что в значительной степени облегчает применение закона Мура за счет увеличения плотности транзисторов. Хотя увеличения количества транзисторов можно добиться и за счет создания физически более крупных процессоров, существует практический предел размера чипов, и мы его уже достигли. Итак, когда 3-нм техпроцесс TSMC не смог увеличить плотность кэша даже на 1%, это стало довольно плохой новостью для отрасли и сигнализировало о том, что закон Мура умирает или даже мертв.
Чиплеты не могут увеличить плотность, но они могут обойти ограничение размера, поскольку ни один чип даже близко не приближается к этому пределу. Вообще говоря, ~750 мм2 — это абсолютный размер чипа, который может быть в новейших процессах, но для чиплетов предел практически равен размеру печатной платы. Новейшие серверные процессоры AMD Zen 4 Genoa имеют площадь до 1271 мм2 для моделей с полными 96 ядрами.
Говоря об этой проблеме с кэшем (которая может стать общеотраслевой), чиплеты также ее решают. Использование чиплетов с кэшем вместо добавления большего количества кэша в процессорные или графические чиплеты, конечно, дает преимущество в уменьшении и удешевлении чиплетов, а также в целом в плане специализации, но есть и третье преимущество для производства. Если новые узлы не собираются реально улучшать плотность кэша, то чиплеты кэша можно создавать на гораздо более старых и более дешевых узлах, фактически не теряя при этом значительной производительности, если вообще теряя ее.
Чиплеты не для всех, но они будут иметь большое значение
Хотя чиплеты хороши, они, вероятно, не будут очень применимы в определенных случаях, например, для очень маленьких процессоров, таких как наборы микросхем для смартфонов, или для намеренно простых микросхем, таких как микроволновые печи и домашние помощники (по крайней мере, для более дешевых). Весь полупроводниковый мир не будет построен на микросхемах; многие общие, но важные чипы до сих пор производятся с использованием самых старых и дешевых доступных процессов.
Но для наших ноутбуков, настольных компьютеров, серверов, автомобилей и консолей все более вероятно, что будущее за чипсетами. Конечно, отличным противовесом чиплетам от таких компаний, как Nvidia, является то, что это пустая трата времени, потому что ИИ настолько лучше, что удвоение производительности каждые два года происходит медленно. Таким образом, Nvidia по-прежнему производит свои графические процессоры (а теперь и процессоры) старомодным способом, потому что закон Мура больше не имеет значения.
Тем не менее, здесь и сейчас искусственный интеллект не полностью развит как технология, и если он потерпит неудачу или сфера станет чрезвычайно конкурентной, то компании, использующие чиплеты, будут иметь преимущество перед теми, кто этого не делает. Какое бы будущее ни готовило полупроводниковую промышленность, трудно представить, что технология чиплетов не станет его частью.
