Ponte Vecchio de la Intel și Zen 3 de la AMD arată promisiunea tehnologiei avansate de ambalare a semiconductorilor

Intel și AMD au discutat despre unele dintre cele mai avansate design-uri de cipuri la Conferința Internațională a Circuitelor Solid State săptămâna aceasta și au subliniat rolul pe care îl joacă ambalajele avansate în viitoarele lor produse de cip de ultimă generație. În ambele cazuri, noile capacități de performanță impresionante provin din abordări modulare care combină blocuri de construcție realizate la diferite fabrici folosind diferite procese de fabricație. Acesta ilustrează potențialul vast al ambalării cipurilor în viitorul inovației semiconductoare.

Piața țintă a Intel pentru Ponte Vecchio este un modul de înaltă performanță care trebuie integrat în sisteme mari de centre de date. Este o unitate de procesare grafică (GPU) și este proiectată pentru aplicații în inteligența artificială, învățarea automată și grafica pe computer. Este numit după podul medieval de piatră care leagă Piazza della Signoria pe o parte a râului Arno din Florența, Italia, cu Pallazzo Pitti pe cealaltă parte. Unul dintre punctele importante ale designului este modul în care conectează o multitudine de chipleturi specializate - blocuri de construcție a circuitelor integrate care sunt menite să fie combinate pentru a face sisteme complete.

Ponte Vecchio folosește opt „plăci” fabricate prin cel mai avansat proces de 5 nm al Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Fiecare piesă are opt „X^e” nuclee, iar fiecare dintre cele opt nuclee are la rândul său opt motoare vectoriale și opt matrice specializate. Plăcile sunt plasate deasupra unei „plăci de bază”, care le conectează la memorie și la lumea exterioară cu o țesătură uriașă de comutare. Această plăci de bază este construită folosind procesul „Intel 7” al companiei, care este un nou nume pentru procesul de producție SuperFin îmbunătățit de 10 nm al companiei. Există, de asemenea, un sistem de memorie de înaltă performanță numit „RAMBO”, care înseamnă Random Access Memory, Bandwidth Optimized, care a fost construit pe o placă de bază folosind tehnologia de interconectare Intel 7 Foveros. O mulțime de alte blocuri de construcție sunt, de asemenea, încorporate.

Designul Ponte Vecchio este un studiu de caz în integrare eterogenă – combinând 63 de plăci diferite (47 care îndeplinesc funcții de calcul și 16 pentru managementul termic) cu un total de peste 100 de miliarde de tranzistori într-un singur pachet care este de 77.5 x 62.5 mm (aproximativ 3 x 2.5 inci). Nu a fost cu mult timp în urmă când atâta putere de calcul a umplut un depozit și a necesitat propria sa conexiune la rețeaua electrică. Provocările de inginerie într-un astfel de proiect sunt numeroase:

Conectarea tuturor pieselor. Designerii au nevoie de o modalitate de a muta semnalele între toate cipurile disparate. Pe vremuri, acest lucru se făcea cu fire sau urme pe plăci de circuite imprimate, iar cipurile erau atașate prin lipirea acestora pe plăci. Dar asta s-a epuizat cu mult timp în urmă, pe măsură ce numărul de semnale și viteza au crescut. Dacă puneți totul într-un singur cip, le puteți conecta cu urme metalice în partea din spate a procesului de fabricație. Dacă doriți să utilizați mai multe cipuri, înseamnă că aveți nevoie de o mulțime de pini de conectare și doriți ca distanțele de conectare să fie scurte. Intel folosește două tehnologii pentru a susține acest lucru. Primul este „embedded multi-die interconnect bridge” (EMIB), care este realizat dintr-o mică bucată de siliciu care poate oferi sute sau mii de conexiuni simultan, iar al doilea este mai întâi tehnologia de stivuire a matriței Foveros. folosit în procesorul său mobil Lakefield.

Asigurați-vă că toate piesele sunt sincronizate. Odată ce conectați o mulțime de piese disparate, trebuie să vă asigurați că toate părțile pot vorbi între ele în sincron. Aceasta înseamnă, de obicei, distribuirea unui semnal de sincronizare cunoscut sub numele de ceas, astfel încât toate cipurile să poată funcționa în pas. Acest lucru se dovedește a nu fi banal, deoarece semnalele tind să devină distorsionate, iar mediul este foarte zgomotos, cu o mulțime de semnale care sărit în jur. Fiecare țiglă de calcul, de exemplu, are peste 7,000 de conexiuni într-un spațiu de 40 de milimetri pătrați, așa că este mult de menținut sincronizat.

Gestionarea căldurii. Plăcile modulare necesită fiecare multă putere, iar furnizarea acesteia uniform pe toată suprafața în timp ce elimină căldura generată este o provocare uriașă. Cipurile de memorie au fost stivuite de ceva timp, dar căldura care este generată este distribuită destul de uniform. Cipurile sau plăcile de procesor pot avea puncte fierbinți în funcție de cât de intens sunt utilizate, iar gestionarea căldurii într-un teanc 3D de cipuri nu este ușoară. Intel a folosit un proces de metalizare pentru părțile din spate ale cipurilor și le-a integrat cu distribuitoare de căldură pentru a gestiona cei 600 de wați proiectați produși de sistemul Ponte Vecchio.

Rezultatele inițiale de laborator pe care Intel le-a raportat au inclus performanță >45 Teraflops. Supercomputerul Aurora, construit la Laboratoarele Naționale Argonne, va folosi peste 54,000 de Ponte Vecchio împreună cu peste 18,000 de procesoare Xeon de ultimă generație. Aurora are o performanță maximă vizată de peste 2 Exaflops, care este de 1,000 de ori mai mare decât o mașină Teraflop. La mijlocul anilor 1990, când eram în afacerea cu supercomputere, o mașină Teraflop era un proiect științific de 100 de milioane de dolari.

Zen 3 de la AMD

AMD a vorbit despre nucleul său de microprocesor Zen 3 de a doua generație construit pe procesul de 7 nm al TSMC. Acest nucleu de microprocesor a fost conceput pentru a fi utilizat pe segmentele de piață ale AMD, de la dispozitive mobile cu consum redus de energie, computere desktop și până la cele mai puternice servere ale centrului de date. Principiul central al acestei strategii a fost ambalarea nucleului său Zen 3 cu funcții de suport ca un „complex de bază” pe un singur chiplet, care a servit ca blocuri de construcție modulare la fel ca plăcile Intel. Astfel, ar putea împacheta opt chipleturi împreună pentru un desktop sau un server de înaltă performanță, sau patru chipleturi pentru un sistem de valoare, cum ar fi un sistem acasă ieftin pe care l-aș putea cumpăra. AMD stivuiește, de asemenea, cipurile pe verticală, folosind ceea ce se numește through-silicon vias (TSV), o modalitate de a conecta mai multe cipuri plasate unul peste altul. De asemenea, ar putea combina două până la opt dintre aceste chipleturi cu o matriță de server realizată pe un proces GlobalFoundries de 12 nm pentru a-și face cel de-al treilea.^rd cipuri de server EPYC de generație.

Oportunitatea grozavă pe care Ponte Vecchio și Zen 3 o evidențiază este capacitatea de a amesteca și potrivi chipsurile realizate folosind diferite procese. În cazul Intel, aceasta a inclus piese realizate atât pe cont propriu, cât și cele mai avansate procese ale TSMC. AMD ar putea combina piese de la TSMC și GlobalFoundries. Un mare avantaj al conectării cipleturilor sau plăcilor mai mici împreună, mai degrabă decât construirea unui singur cip mare, este că cele mai mici vor avea randamente de producție mai bune și, prin urmare, sunt mai puțin costisitoare. De asemenea, puteți combina chipleturi noi cu altele mai vechi dovedite, despre care știți că sunt bune sau care sunt realizate printr-un proces mai puțin costisitor.

Atât modelele AMD, cât și cele Intel sunt tehnice tururi de forță. Fără îndoială, ele reprezintă multă muncă grea și învățare și reprezintă investiții uriașe de resurse. Dar, așa cum IBM a introdus subsisteme modulare în sistemul său central System/360 în anii 1960, iar computerele personale au devenit modulare în anii 1980, partiționarea modulară a microsistemelor de siliciu, așa cum este exemplificată de aceste două modele și activată de ambalarea avansată a cipurilor, anunță o schimbare semnificativă a tehnologiei. Desigur, multe dintre capacitățile afișate aici nu sunt încă la îndemâna majorității start-up-urilor, dar ne putem imagina că atunci când tehnologia va deveni mai accesibilă, va dezlănțui un val de inovații mix-and-match.