Ponte Vecchio от Intel и Zen 3 от AMD демонстрируют перспективу передовой технологии упаковки полупроводников

Intel и AMD обсудили некоторые из своих самых передовых разработок микросхем на Международной конференции по твердотельным схемам на этой неделе и подчеркнули роль, которую усовершенствованная упаковка будет играть в их будущих высокопроизводительных чипах. В обоих случаях впечатляющие новые возможности производительности обеспечиваются модульными подходами, которые объединяют строительные блоки, изготовленные на разных фабриках с использованием разных производственных процессов. Он иллюстрирует огромный потенциал упаковки микросхем в будущем полупроводниковых инноваций.

Целевой рынок Intel для Ponte Vecchio — это высокопроизводительные модули, встраиваемые в системы крупных центров обработки данных. Это графический процессор (GPU), предназначенный для приложений в области искусственного интеллекта, машинного обучения и компьютерной графики. Он назван в честь средневекового каменного моста, который соединяет площадь Синьории на одной стороне реки Арно во Флоренции, Италия, с Палаццо Питти на другой стороне. Одним из основных моментов дизайна является то, как он соединяет множество специализированных чиплетов — строительных блоков интегральных схем, которые предназначены для объединения в полные системы.

Ponte Vecchio использует восемь «плиток», изготовленных по самому передовому 5-нм техпроцессу Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC). Каждая плитка имеет восемь «X».^e”, а каждое из восьми ядер в свою очередь имеет восемь векторных и восемь специализированных матричных движков. Плитки размещаются поверх «базовой плитки», которая соединяет их с памятью и внешним миром с помощью гигантской коммутационной ткани. Эта базовая плитка построена с использованием процесса «Intel 7» компании, который является новым названием для усовершенствованного 10-нанометрового производственного процесса SuperFin. Существует также высокопроизводительная система памяти под названием «RAMBO», что означает оперативная память с оптимизацией пропускной способности, которая была построена на базовой плитке с использованием технологии межсоединений Intel 7 Foveros. Также включены многие другие строительные блоки.

Конструкция Ponte Vecchio представляет собой пример гетерогенной интеграции, объединяющей 63 различных плитки (47 для выполнения вычислительных функций и 16 для управления температурным режимом) с общим количеством более 100 миллиардов транзисторов в одном корпусе размером 77.5 x 62.5 мм (приблизительно 3 x 2.5 дюйма). Не так давно такое количество вычислительной мощности заполняло склад и требовало собственного подключения к электрической сети. Инженерные проблемы в такой конструкции многочисленны:

Соединение всех частей. Разработчикам нужен способ передачи сигналов между всеми разрозненными чипами. В старину это делалось проводами или дорожками на печатных платах, а микросхемы крепились припаиванием их к платам. Но это давно исчерпало себя, так как количество сигналов и скорость увеличились. Если вы поместите все в один чип, вы сможете соединить их металлическими дорожками в конце производственного процесса. Если вы хотите использовать несколько микросхем, это означает, что вам нужно много соединительных контактов, и вы хотите, чтобы соединительные расстояния были короткими. Для этого Intel использует две технологии. Во-первых, это «встроенный межкомпонентный мост с несколькими кристаллами» (EMIB), который состоит из небольшого кусочка кремния, который может одновременно обеспечивать сотни или тысячи соединений, а во-вторых, это технология стекирования Foveros. используется в мобильном процессоре Lakefield.

Убедитесь, что все части синхронизированы. Как только вы соедините множество разрозненных частей, вам нужно убедиться, что все части могут синхронно общаться друг с другом. Обычно это означает распределение сигнала синхронизации, известного как часы, чтобы все микросхемы могли работать синхронно. Это оказывается не тривиальным, так как сигналы имеют тенденцию к искажению, а окружающая среда очень шумная, с большим количеством сигналов, отражающихся друг от друга. Каждая вычислительная ячейка, например, имеет более 7,000 подключений на площади 40 квадратных миллиметров, так что это очень много для синхронизации.

Управление теплом. Для каждой модульной плитки требуется много энергии, и ее равномерное распределение по всей поверхности при одновременном отводе выделяемого тепла является огромной проблемой. Чипы памяти уже некоторое время укладываются друг на друга, но выделяемое тепло распределяется довольно равномерно. Процессорные чипы или плитки могут иметь горячие точки в зависимости от того, насколько интенсивно они используются, а управлять теплом в трехмерном стеке чипов непросто. Intel использовала процесс металлизации для задней стороны чипов и интегрировала их с распределителями тепла, чтобы справиться с прогнозируемой мощностью 3 Вт, вырабатываемой системой Ponte Vecchio.

Первоначальные лабораторные результаты, о которых сообщила Intel, включали производительность >45 терафлопс. Суперкомпьютер Aurora, строящийся в Аргоннских национальных лабораториях, будет использовать более 54,000 18,000 Ponte Vecchios и более 2 1,000 процессоров Xeon следующего поколения. Aurora имеет целевую пиковую производительность более 1990 эксафлопс, что в 100 раз больше, чем у машины терафлопс. В середине XNUMX-х, когда я занимался суперкомпьютерным бизнесом, машина с одним терафлопом была научным проектом стоимостью XNUMX миллионов долларов.

AMD Zen 3

AMD рассказала о своем микропроцессорном ядре второго поколения Zen 3, построенном на 7-нм техпроцессе TSMC. Это микропроцессорное ядро ​​было разработано для использования во всех сегментах рынка AMD, от маломощных мобильных устройств, настольных компьютеров и до самых мощных серверов центров обработки данных. Центральным принципом этой стратегии было объединение ядра Zen 3 с функциями поддержки в виде «комплекса ядра» на одном чиплете, который служил модульными строительными блоками, очень похожими на плитки Intel. Таким образом, они могли собрать вместе восемь микросхем для высокопроизводительного рабочего стола или сервера или четыре микросхемы для бюджетной системы, такой как дешевая домашняя система, которую я мог бы купить. AMD также укладывает чипы вертикально, используя так называемые сквозные переходные отверстия (TSV) — способ соединения нескольких чипов, расположенных друг над другом. Он также может комбинировать от двух до восьми таких чиплетов с серверным кристаллом, изготовленным по 12-нм техпроцессу GlobalFoundries, чтобы сделать свои 3^rd серверные чипы поколения EPYC.

Прекрасная возможность, которую подчеркивают Ponte Vecchio и Zen 3, — это возможность смешивать и сочетать чипсы, изготовленные с использованием различных процессов. В случае с Intel это были детали, изготовленные как собственными силами, так и с использованием самых передовых технологий TSMC. AMD может объединить детали от TSMC и GlobalFoundries. Большим преимуществом соединения небольших чиплетов или тайлов вместе, а не просто создания одного большого чипа, является то, что меньшие будут иметь более высокую производительность и, следовательно, будут дешевле. Вы также можете смешивать и сочетать новые чиплеты со старыми проверенными чипсетами, которые, как вы знаете, хороши или изготовлены по менее дорогому процессу.

Оба дизайна AMD и Intel являются техническими туры силы. Без сомнения, они представляют собой тяжелую работу и обучение, а также представляют собой огромные инвестиции ресурсов. Но точно так же, как IBM представила модульные подсистемы в своем мэйнфрейме System/360 в 1960-х, а персональные компьютеры стали модульными в 1980-х, модульное разделение кремниевых микросистем, примером которого являются эти две конструкции и которое стало возможным благодаря усовершенствованной компоновке микросхем, предвещает значительный технологический сдвиг. Конечно, многие из показанных здесь возможностей все еще недоступны большинству стартапов, но мы можем себе представить, что, когда технология станет более доступной, она вызовет волну смешанных инноваций.