Ponte Vecchio на Intel и Zen 3 на AMD показват обещанието за усъвършенствана технология за полупроводникови опаковки

Intel и AMD обсъдиха някои от най-модерните си дизайни на чипове на Международната конференция за твърдотелни схеми тази седмица и подчертаха ролята, която усъвършенстваните опаковки играят в бъдещите им продукти за чипове от висок клас. И в двата случая впечатляващите нови възможности за производителност идват от модулни подходи, които комбинират градивни елементи, направени в различни заводи, използващи различни производствени процеси. Той илюстрира огромния потенциал на пакетирането на чипове в бъдещето на иновациите в полупроводниците.

Целевият пазар на Intel за Ponte Vecchio е като модул с висока производителност, който да бъде вграден в големи системи за центрове за данни. Това е графичен процесор (GPU) и е предназначен за приложения в областта на изкуствения интелект, машинното обучение и компютърната графика. Той е кръстен на средновековния каменен мост, който свързва Piazza della Signoria от едната страна на река Арно във Флоренция, Италия, с Pallazzo Pitti от другата страна. Един от акцентите на дизайна е как той свързва множество специализирани чиплети – градивни блокове на интегрална схема, които са предназначени да бъдат комбинирани за създаване на цялостни системи.

Ponte Vecchio използва осем „плочки“, произведени по най-модерния 5 nm процес на Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Всяка плочка има осем „X^e” ядра, а всяко от осемте ядра на свой ред има осем векторни и осем специализирани матрични двигателя. Плочките се поставят върху „основна плочка“, която ги свързва с паметта и външния свят с гигантска превключвателна тъкан. Тази базова плочка е изградена с помощта на фирмения процес “Intel 7”, което е ново име за подобрения 10 nm производствен процес на SuperFin на компанията. Има и високопроизводителна система за памет, наречена „RAMBO“, което означава памет с произволен достъп, оптимизирана за честотна лента, която е изградена върху базова плочка с помощта на технологията за свързване на Intel 7 Foveros. Вградени са и много други градивни елементи.

Дизайнът на Ponte Vecchio е казус в хетерогенна интеграция – комбиниращ 63 различни плочки (47, които изпълняват изчислителни функции и 16 за управление на топлина) с общо над 100 милиарда транзистора в един пакет с размери 77.5 x 62.5 mm (приблизително 3 x 2.5 инча). Не беше толкова отдавна, когато толкова много изчислителна мощност изпълни склад и изискваше собствена връзка с електрическата мрежа. Инженерните предизвикателства при такъв дизайн са много:

Свързване на всички части. Дизайнерите се нуждаят от начин за преместване на сигнали между всички различни чипове. В старите времена това се правеше с жици или следи върху печатни платки, а чиповете се прикрепяха чрез запояване към платките. Но това се изчерпа отдавна, тъй като броят на сигналите и скоростта се увеличиха. Ако поставите всичко в един чип, можете да ги свържете с метални следи в задния край на производствения процес. Ако искате да използвате множество чипове, това означава, че имате нужда от много свързващи щифтове и искате разстоянията на свързване да са кратки. Intel използва две технологии, за да поддържа това. Първият е неговият „вграден мост за свързване с множество матрици“ (EMIB), който е направен от малка част от силиций, която може да осигури стотици или хиляди връзки наведнъж, а втората е неговата технология за подреждане на матрици Foveros. използван в своя мобилен процесор Lakefield.

Уверете се, че всички части са синхронизирани. След като свържете много различни части, трябва да се уверите, че всички части могат да говорят помежду си в синхрон. Това обикновено означава разпределяне на сигнал за синхронизиране, известен като часовник, така че всички чипове да могат да работят в lockstep. Оказва се, че това не е тривиално, тъй като сигналите са склонни да се изкривяват и средата е много шумна, с много сигнали, подскачащи наоколо. Всяка изчислителна плочка, например, има повече от 7,000 връзки в пространство от 40 квадратни милиметра, така че това е много за синхронизиране.

Управление на топлината. Всяка от модулните плочки изисква много енергия и доставянето й равномерно по цялата повърхност, като същевременно се отстранява генерираната топлина е огромно предизвикателство. Чиповете с памет са подредени от известно време, но генерираната топлина е доста равномерно разпределена. Процесорните чипове или плочки могат да имат горещи точки в зависимост от това колко интензивно се използват, а управлението на топлината в 3D купчина чипове не е лесно. Intel използва процес на метализация за задните страни на чиповете и ги интегрира с топлоразпределители, за да се справи с предвидените 600 вата, произведени от системата Ponte Vecchio.

Първоначалните лабораторни резултати, които Intel съобщи, включват >45 терафлопса. Суперкомпютърът Aurora, който се изгражда в Националните лаборатории в Аргон, ще използва повече от 54,000 18,000 Ponte Vecchios заедно с повече от 2 1,000 Xeon процесора от следващо поколение. Aurora има целева максимална производителност от над 1990 Exaflops, което е 100 пъти повече от машина Teraflop. В средата на XNUMX-те години на миналия век, когато бях в бизнеса с суперкомпютри, една машина с терафлоп беше научен проект за XNUMX милиона долара.

Zen 3 на AMD

AMD говори за своето микропроцесорно ядро ​​от второ поколение Zen 3, изградено по 7 nm процес на TSMC. Това микропроцесорно ядро ​​е проектирано да се използва в пазарните сегменти на AMD, от мобилни устройства с ниска мощност, настолни компютри и чак до най-мощните сървъри за центрове за данни. Централният принцип на тази стратегия беше опаковането на ядрото Zen 3 с поддържащи функции като „ядро комплекс“ на един чиплет, който служи като модулни градивни елементи, подобно на плочките на Intel. Така те биха могли да опаковат осем чиплета заедно за високопроизводителен десктоп или сървър или четири чиплета за ценностна система, като евтина домашна система, която бих могъл да купя. AMD също така подрежда чипове вертикално, като използва така наречените проходни силициеви преходни връзки (TSV), начин за свързване на множество чипове, поставени един върху друг. Може също да комбинира два до осем от тези чиплета със сървърна матрица, направена по 12 nm процес на GlobalFoundries, за да направи своите 3^rd поколение EPYC сървърни чипове.

Страхотната възможност, която Ponte Vecchio и Zen 3 подчертават, е възможността за смесване и съчетаване на чипове, направени чрез различни процеси. В случая на Intel това включваше части, направени както самостоятелно, така и най-модерните процеси на TSMC. AMD може да комбинира части от TSMC и GlobalFoundries. Голямо предимство на свързването на по-малки чипове или плочки заедно, вместо просто да се изгражда един голям чип, е, че по-малките ще имат по-добри производствени добиви и следователно са по-евтини. Можете също така да смесвате и съчетавате нови чиплети с по-стари доказани, за които знаете, че са добри, или които са направени на по-евтин процес.

Дизайните на AMD и Intel са технически тур де сила. Без съмнение те представляват много упорита работа и учене и представляват огромни инвестиции на ресурси. Но точно както IBM въведе модулни подсистеми в своя мейнфрейм System/360 през 1960-те години на миналия век, а персоналните компютри станаха модулни през 1980-те, модулното разделяне на силициеви микросистеми, както е илюстрирано от тези два дизайна и активирано от усъвършенстваното опаковане на чипове, предвещава значителна технологична промяна. Като се има предвид, че много от показаните тук възможности все още са извън обсега на повечето стартиращи фирми, но можем да си представим, че когато технологията стане по-достъпна, тя ще отприщи вълна от смесване и съчетаване на иновации.