Intelov Ponte Vecchio i AMD-ov Zen 3 pokazuju obećanje napredne tehnologije poluprovodničkog pakovanja

Intel i AMD su ove sedmice raspravljali o nekim od svojih najnaprednijih dizajna čipova na Međunarodnoj konferenciji Solid State Circuits i istakli su ulogu koju napredno pakovanje igra u njihovim budućim vrhunskim čipovima. U oba slučaja, impresivne nove mogućnosti performansi dolaze iz modularnih pristupa koji kombinuju građevne blokove napravljene u različitim fabrikama koristeći različite proizvodne procese. Ona ilustruje ogroman potencijal pakovanja čipova u budućnosti inovacija poluprovodnika.

Intelovo ciljno tržište za Ponte Vecchio je modul visokih performansi koji se ugrađuje u velike sisteme centara podataka. To je jedinica za grafičku obradu (GPU) i dizajnirana je za primjene u umjetnoj inteligenciji, strojnom učenju i kompjuterskoj grafici. Ime je dobio po srednjovjekovnom kamenom mostu koji povezuje Piazza della Signoria na jednoj strani rijeke Arno u Firenci u Italiji sa Pallazzo Pitti na drugoj strani. Jedan od vrhunaca dizajna je način na koji povezuje mnoštvo specijalizovanih čipova – blokova integrisanih kola koji su namenjeni da se kombinuju da bi se napravili kompletni sistemi.

Ponte Vecchio koristi osam „pločica“ proizvedenih u najnaprednijem 5 nm procesu kompanije Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Svaka pločica ima osam „X^e” jezgri, a svaka od osam jezgri zauzvrat ima osam vektorskih i osam specijalizovanih matričnih motora. Pločice su postavljene na "osnovnu pločicu", koja ih povezuje s memorijom i vanjskim svijetom pomoću ogromnog prekidača. Ova osnovna pločica je napravljena korišćenjem „Intel 7“ procesa kompanije, što je novo ime za unapređeni 10 nm proizvodni proces kompanije SuperFin. Tu je i memorijski sistem visokih performansi pod nazivom “RAMBO”, što je skraćenica od Random Access Memory, Bandwidth Optimized, koji je izgrađen na osnovnoj pločici koristeći Intel 7 Foveros tehnologiju interkonekcije. Ugrađeno je i mnogo drugih građevinskih blokova.

Dizajn Ponte Vecchio je studija slučaja u heterogenoj integraciji – kombinujući 63 različite pločice (47 koje obavljaju računske funkcije i 16 za upravljanje toplinom) sa ukupno preko 100 milijardi tranzistora u jednom paketu koji je 77.5 x 62.5 mm (približno 3 x 2.5 inča). Nije bilo tako davno kada je toliko računarske snage ispunilo skladište i zahtijevalo vlastitu vezu s električnom mrežom. Inženjerski izazovi u takvom dizajnu su brojni:

Povezivanje svih delova. Dizajnerima je potreban način za premještanje signala između svih različitih čipova. U stara vremena to se radilo žicama ili tragovima na štampanim pločama, a čipovi su se pričvršćivali lemljenjem na ploče. Ali to je odavno nestalo, kako su se povećali broj signala i brzina. Ako sve stavite u jedan čip, možete ih povezati metalnim tragovima u zadnjem kraju proizvodnog procesa. Ako želite da koristite više čipova, to znači da vam je potrebno mnogo pinova za povezivanje i da želite da razdaljine povezivanja budu kratke. Intel koristi dvije tehnologije da to podrži. Prvi je njegov "ugrađeni multi-die interconnect bridge" (EMIB) koji je napravljen od malog silikona koji može pružiti stotine ili hiljade konekcija istovremeno, a drugi je njegova Foveros tehnologija slaganja die-to-die. koristi u svom Lakefield mobilnom procesoru.

Provjerite jesu li svi dijelovi sinhronizirani. Kada povežete mnogo različitih delova, morate osigurati da svi delovi mogu međusobno da razgovaraju u sinhronizaciji. Ovo obično znači distribuciju vremenskog signala poznatog kao sat, tako da svi čipovi mogu raditi uzastopno. Ispostavilo se da ovo nije trivijalno, jer signali imaju tendenciju da budu iskrivljeni, a okruženje je veoma bučno, sa puno signala koji se odbijaju. Svaka računalna pločica, na primjer, ima više od 7,000 veza u prostoru od 40 kvadratnih milimetara, tako da je to mnogo za sinhronizaciju.

Upravljanje toplotom. Svaka od modularnih pločica zahtijeva mnogo energije, a ravnomjerno je isporučiti po cijeloj površini uz uklanjanje topline koja se stvara je veliki izazov. Memorijski čipovi su već neko vrijeme naslagani, ali toplina koja se stvara je prilično ravnomjerno raspoređena. Procesorski čipovi ili pločice mogu imati vruće tačke u zavisnosti od toga koliko se intenzivno koriste, a upravljanje toplinom u 3D hrpi čipova nije lako. Intel je koristio proces metalizacije za zadnje strane čipova i integrisao ih sa raspršivačima toplote kako bi se nosio sa projektovanim 600 vati koje proizvodi sistem Ponte Vecchio.

Početni laboratorijski rezultati koje je Intel prijavio uključivali su performanse >45 teraflopsa. Superkompjuter Aurora koji se gradi u Argonne National Laboratories koristit će više od 54,000 Ponte Vecchios zajedno sa više od 18,000 Xeon procesora sljedeće generacije. Aurora ima ciljane vršne performanse od preko 2 Exaflopsa, što je 1,000 puta više od Teraflop mašine. Sredinom 1990-ih, kada sam se bavio superkompjuterom, mašina od jednog Teraflopa bila je naučni projekat vredan 100 miliona dolara.

AMD-ov Zen 3

AMD je govorio o svom Zen 3 mikroprocesorskom jezgru druge generacije izgrađenom na TSMC-ovom 7 nm procesu. Ova mikroprocesorska jezgra je dizajnirana da se koristi u svim AMD-ovim tržišnim segmentima, od mobilnih uređaja male potrošnje, desktop računara, pa sve do njegovih najmoćnijih servera u centru podataka. Centralno načelo ove strategije bilo je pakovanje svoje Zen 3 jezgre sa funkcijama podrške kao „kompleksa jezgre“ na jednom čipletu, koji je služio kao modularni građevni blokovi slično Intelovim pločicama. Tako su mogli upakovati osam čipova zajedno za desktop ili server visokih performansi, ili četiri čipa za sistem vrednosti, poput jeftinog kućnog sistema koji bih mogao da kupim. AMD takođe slaže čipove vertikalno koristeći ono što se naziva kroz silikonske veze (TSV), način povezivanja više čipova postavljenih jedan na drugi. Takođe bi mogao da kombinuje dva do osam ovih čipova sa serverskom matricom napravljenom na GlobalFoundries 12 nm procesu da napravi svoja 3^rd generacije EPYC serverskih čipova.

Velika prilika koju ističu Ponte Vecchio i Zen 3 je mogućnost miješanja i spajanja čipova napravljenih korištenjem različitih procesa. U Intelovom slučaju, ovo je uključivalo dijelove napravljene kako sam, tako i TSMC-ove najnaprednije procese. AMD bi mogao kombinovati dijelove iz TSMC i GlobalFoundries. Velika prednost spajanja manjih čipleta ili pločica zajedno, umjesto da se samo pravi jedan veliki čip, je da će manji imati bolje proizvodne prinose i stoga su jeftiniji. Također možete miješati i upariti nove čipletove sa starijim dokazanim čipletima za koje znate da su dobri ili koji su napravljeni po jeftinijem procesu.

I AMD i Intel dizajni su tehnički tours de force. Nema sumnje da predstavljaju mnogo napornog rada i učenja, i predstavljaju ogromna ulaganja resursa. Ali baš kao što je IBM predstavio modularne podsisteme u svom glavnom računaru System/360 1960-ih, a personalni računari postali modularni 1980-ih, modularno podjele silicijumskih mikrosistema kao što su primjer ova dva dizajna i omogućeno naprednim pakiranjem čipova najavljuje značajnu tehnološku promjenu. Doduše, mnoge mogućnosti koje su ovdje prikazane su još uvijek van domašaja većine početnika, ali možemo zamisliti da će, kada tehnologija postane pristupačnija, pokrenuti val mix-and-match inovacija.