Το Ponte Vecchio της Intel και το Zen 3 της AMD δείχνουν την υπόσχεση της προηγμένης τεχνολογίας συσκευασίας ημιαγωγών

Η Intel και η AMD συζήτησαν μερικά από τα πιο προηγμένα σχέδια τσιπ τους στο International Solid State Circuits Conference αυτή την εβδομάδα και τόνισαν τον ρόλο που διαδραματίζει η προηγμένη συσκευασία στα μελλοντικά προϊόντα τσιπ υψηλής ποιότητας. Και στις δύο περιπτώσεις, οι εντυπωσιακές νέες δυνατότητες απόδοσης προέρχονται από αρθρωτές προσεγγίσεις που συνδυάζουν δομικά στοιχεία κατασκευασμένα σε διαφορετικά εργοστάσια χρησιμοποιώντας διαφορετικές διαδικασίες παραγωγής. Καταδεικνύει τις τεράστιες δυνατότητες της συσκευασίας τσιπ στο μέλλον της καινοτομίας ημιαγωγών.

Η αγορά-στόχος της Intel για το Ponte Vecchio είναι ως μονάδα υψηλής απόδοσης που θα ενσωματωθεί σε μεγάλα συστήματα κέντρων δεδομένων. Είναι μια μονάδα επεξεργασίας γραφικών (GPU) και έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές στην τεχνητή νοημοσύνη, τη μηχανική μάθηση και τα γραφικά υπολογιστών. Πήρε το όνομά του από τη μεσαιωνική πέτρινη γέφυρα που συνδέει την Piazza della Signoria στη μία πλευρά του ποταμού Άρνο στη Φλωρεντία της Ιταλίας με το Pallazzo Pitti στην άλλη πλευρά. Ένα από τα κυριότερα σημεία του σχεδιασμού είναι ο τρόπος με τον οποίο συνδέει ένα πλήθος εξειδικευμένων chiplet - δομικά στοιχεία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που προορίζονται να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν ολοκληρωμένα συστήματα.

Η Ponte Vecchio χρησιμοποιεί οκτώ «πλακίδια» που κατασκευάζονται με την πιο προηγμένη διαδικασία 5 nm της Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Κάθε πλακίδιο έχει οκτώ «Χ^e” πυρήνες, και καθένας από τους οκτώ πυρήνες με τη σειρά του έχει οκτώ διανυσματικούς και οκτώ εξειδικευμένους κινητήρες matrix. Τα πλακάκια τοποθετούνται πάνω από ένα «πλακίδιο βάσης», το οποίο τα συνδέει με τη μνήμη και τον έξω κόσμο με ένα γιγάντιο ύφασμα διακόπτη. Αυτό το πλακίδιο βάσης έχει κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τη διαδικασία "Intel 7" της εταιρείας, η οποία είναι ένα νέο όνομα για τη βελτιωμένη διαδικασία κατασκευής SuperFin 10 nm της εταιρείας. Υπάρχει επίσης ένα σύστημα μνήμης υψηλής απόδοσης που ονομάζεται "RAMBO", το οποίο σημαίνει Random Access Memory, Bandwidth Optimized, το οποίο κατασκευάστηκε σε ένα πλακίδιο βάσης χρησιμοποιώντας την τεχνολογία διασύνδεσης Intel 7 Foveros. Ενσωματώνονται επίσης πολλά άλλα δομικά στοιχεία.

Ο σχεδιασμός Ponte Vecchio είναι μια μελέτη περίπτωσης σε ετερογενή ολοκλήρωση – συνδυάζει 63 διαφορετικά πλακίδια (47 που εκτελούν υπολογιστικές λειτουργίες και 16 για θερμική διαχείριση) με συνολικά πάνω από 100 δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα μόνο πακέτο που είναι 77.5 x 62.5 mm (περίπου 3 x 2.5 ίντσες). Δεν ήταν πολύ καιρό πριν, όταν τόση υπολογιστική ισχύς γέμιζε μια αποθήκη και απαιτούσε τη δική της σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Οι μηχανικές προκλήσεις σε έναν τέτοιο σχεδιασμό είναι πολλές:

Σύνδεση όλων των εξαρτημάτων. Οι σχεδιαστές χρειάζονται έναν τρόπο να μετακινούν τα σήματα μεταξύ όλων των διαφορετικών τσιπ. Παλαιότερα, αυτό γινόταν με καλώδια ή ίχνη σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων και τα τσιπ κολλούσαν στις πλακέτες. Αλλά αυτό εξαντλήθηκε εδώ και πολύ καιρό, καθώς ο αριθμός των σημάτων και η ταχύτητα αυξήθηκαν. Εάν τοποθετήσετε τα πάντα σε ένα μόνο τσιπ, μπορείτε να τα συνδέσετε με μεταλλικά ίχνη στο πίσω μέρος της διαδικασίας κατασκευής. Εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε πολλά τσιπ, αυτό σημαίνει ότι χρειάζεστε πολλές ακίδες σύνδεσης και θέλετε οι αποστάσεις σύνδεσης να είναι μικρές. Η Intel χρησιμοποιεί δύο τεχνολογίες για να το υποστηρίξει. Το πρώτο είναι η «ενσωματωμένη γέφυρα διασύνδεσης πολλαπλών καλουπιών» (EMIB), η οποία αποτελείται από μια μικρή λωρίδα πυριτίου που μπορεί να παρέχει εκατοντάδες ή χιλιάδες συνδέσεις τη φορά, και η δεύτερη είναι η πρώτη τεχνολογία στοίβαξης καλουπιών Foveros. χρησιμοποιείται στον κινητό επεξεργαστή Lakefield.

Βεβαιωθείτε ότι όλα τα μέρη είναι συγχρονισμένα. Μόλις συνδέσετε πολλά διαφορετικά κομμάτια, πρέπει να διασφαλίσετε ότι όλα τα μέρη μπορούν να συνομιλούν μεταξύ τους συγχρονισμένα. Αυτό συνήθως σημαίνει τη διανομή ενός σήματος χρονισμού που είναι γνωστό ως ρολόι, έτσι ώστε όλα τα τσιπ να μπορούν να λειτουργούν στο lockstep. Αυτό αποδεικνύεται ότι δεν είναι ασήμαντο, καθώς τα σήματα τείνουν να παραμορφώνονται και το περιβάλλον είναι πολύ θορυβώδες, με πολλά σήματα να αναπηδούν. Κάθε υπολογιστικό πλακίδιο, για παράδειγμα, έχει περισσότερες από 7,000 συνδέσεις σε ένα χώρο 40 τετραγωνικών χιλιοστών, επομένως είναι πολύ για να διατηρηθεί ο συγχρονισμός.

Διαχείριση θερμότητας. Τα αρθρωτά πλακίδια απαιτούν το καθένα πολλή ισχύ και η ομοιόμορφη παράδοση σε ολόκληρη την επιφάνεια ενώ αφαιρείται η θερμότητα που παράγεται είναι μια τεράστια πρόκληση. Τα τσιπ μνήμης έχουν στοιβαχτεί εδώ και αρκετό καιρό, αλλά η θερμότητα που παράγεται είναι αρκετά ομοιόμορφα κατανεμημένη. Τα τσιπ ή τα πλακίδια επεξεργαστή μπορεί να έχουν hot spots ανάλογα με το πόσο βαριά χρησιμοποιούνται και η διαχείριση της θερμότητας σε μια τρισδιάστατη στοίβα τσιπ δεν είναι εύκολη. Η Intel χρησιμοποίησε μια διαδικασία επιμετάλλωσης για τις πίσω πλευρές των τσιπ και τις ενσωμάτωσε με διανομείς θερμότητας για να χειριστεί τα προβλεπόμενα 3 watt που παράγονται από το σύστημα Ponte Vecchio.

Τα αρχικά εργαστηριακά αποτελέσματα που ανέφερε η Intel περιελάμβαναν απόδοση >45 Teraflops. Ο υπερυπολογιστής Aurora που κατασκευάζεται στα Εθνικά Εργαστήρια Argonne θα χρησιμοποιεί περισσότερα από 54,000 Ponte Vecchios μαζί με περισσότερους από 18,000 επεξεργαστές Xeon επόμενης γενιάς. Το Aurora έχει στοχευμένη μέγιστη απόδοση άνω των 2 Exaflop, που είναι 1,000 φορές μεγαλύτερη από μια μηχανή Teraflop. Πίσω στα μέσα της δεκαετίας του 1990, όταν ήμουν στην επιχείρηση υπερυπολογιστών, μια μηχανή Teraflop ήταν ένα επιστημονικό έργο 100 εκατομμυρίων δολαρίων.

Το Zen 3 της AMD

Η AMD μίλησε για τον πυρήνα μικροεπεξεργαστή δεύτερης γενιάς Zen 3 που βασίζεται στη διαδικασία 7 nm της TSMC. Αυτός ο πυρήνας μικροεπεξεργαστή σχεδιάστηκε για να χρησιμοποιείται σε όλα τα τμήματα της αγοράς της AMD, από φορητές συσκευές χαμηλής κατανάλωσης, επιτραπέζιους υπολογιστές και μέχρι τους πιο ισχυρούς διακομιστές κέντρων δεδομένων της. Το κεντρικό δόγμα αυτής της στρατηγικής ήταν να συσκευάσει τον πυρήνα του Zen 3 με λειτουργίες υποστήριξης ως «σύμπλεγμα πυρήνα» σε ένα ενιαίο chiplet, το οποίο χρησίμευε ως αρθρωτά δομικά στοιχεία όπως τα πλακίδια της Intel. Έτσι θα μπορούσαν να συσκευάσουν οκτώ chiplet μαζί για έναν επιτραπέζιο υπολογιστή ή διακομιστή υψηλής απόδοσης ή τέσσερα chiplet για ένα σύστημα αξιών, όπως ένα φτηνό οικιακό σύστημα που θα μπορούσα να αγοράσω. Η AMD στοιβάζει επίσης τα τσιπ κατακόρυφα χρησιμοποιώντας αυτά που ονομάζονται vias μέσω πυριτίου (TSV), έναν τρόπο σύνδεσης πολλαπλών τσιπ τοποθετημένων το ένα πάνω στο άλλο. Θα μπορούσε επίσης να συνδυάσει δύο έως οκτώ από αυτά τα chiplet με ένα διακομιστή που έχει κατασκευαστεί σε μια διαδικασία GlobalFoundries 12 nm για να φτιάξει το 3^rd τσιπ διακομιστή EPYC γενιάς.

Η μεγάλη ευκαιρία που αναδεικνύουν το Ponte Vecchio και το Zen 3 είναι η δυνατότητα ανάμειξης και αντιστοίχισης τσιπ που έχουν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές διαδικασίες. Στην περίπτωση της Intel, αυτό περιλάμβανε εξαρτήματα κατασκευασμένα τόσο από μόνη της όσο και τις πιο προηγμένες διαδικασίες της TSMC. Η AMD θα μπορούσε να συνδυάσει εξαρτήματα από την TSMC και την GlobalFoundries. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα της σύνδεσης μικρότερων chiplet ή πλακιδίων μεταξύ τους αντί της κατασκευής ενός μεγάλου chip είναι ότι τα μικρότερα θα έχουν καλύτερες παραγωγικές αποδόσεις και επομένως είναι λιγότερο δαπανηρά. Μπορείτε επίσης να αναμίξετε και να ταιριάξετε νέα chiplet με παλαιότερα αποδεδειγμένα που γνωρίζετε ότι είναι καλά ή που κατασκευάζονται με λιγότερο δαπανηρή διαδικασία.

Και τα δύο σχέδια της AMD και της Intel είναι τεχνικά tours de force. Αναμφίβολα αντιπροσωπεύουν πολλή σκληρή δουλειά και μάθηση και αντιπροσωπεύουν τεράστιες επενδύσεις πόρων. Αλλά όπως η IBM εισήγαγε αρθρωτά υποσυστήματα στο κεντρικό σύστημα System/360 τη δεκαετία του 1960 και οι προσωπικοί υπολογιστές έγιναν αρθρωτοί στη δεκαετία του 1980, η αρθρωτή κατάτμηση μικροσυστημάτων πυριτίου, όπως παραδειγματίζεται από αυτά τα δύο σχέδια και έγινε δυνατή από την προηγμένη συσκευασία τσιπ, προαναγγέλλει μια σημαντική τεχνολογική αλλαγή. Δεδομένου ότι πολλές από τις δυνατότητες που εμφανίζονται εδώ εξακολουθούν να είναι απρόσιτες για τις περισσότερες νεοσύστατες επιχειρήσεις, αλλά μπορούμε να φανταστούμε ότι όταν η τεχνολογία γίνει πιο προσιτή, θα εξαπολύσει ένα κύμα καινοτομίας συνδυασμού και αντιστοίχισης.