Intel Ponte Vecchio і AMD Zen 3 демонструють перспективу передової технології упаковки напівпровідників

Intel і AMD обговорювали деякі зі своїх найсучасніших конструкцій мікросхем на Міжнародній конференції твердотільних схем цього тижня, і вони підкреслили роль, яку вдосконалена упаковка відіграє в їхніх майбутніх високоякісних чіпових продуктах. В обох випадках вражаючі нові можливості продуктивності походять від модульних підходів, які поєднують будівельні блоки, виготовлені на різних заводах з використанням різних виробничих процесів. Він ілюструє величезний потенціал упаковки чіпів у майбутньому інноваційному виробництві напівпровідників.

Цільовим ринком Intel для Ponte Vecchio є високопродуктивний модуль, який вбудовується у великі системи центрів обробки даних. Це графічний процесор (GPU) і призначений для додатків у сфері штучного інтелекту, машинного навчання та комп’ютерної графіки. Він названий на честь середньовічного кам’яного мосту, який з’єднує П’яцца делла Синьорія з одного боку річки Арно у Флоренції, Італія, з Палаццо Пітті з іншого боку. Однією з головних моментів дизайну є те, що він з’єднує безліч спеціалізованих мікросхем – будівельних блоків інтегральних схем, які призначені для об’єднання для створення цілісних систем.

Ponte Vecchio використовує вісім «плиток», виготовлених за найсучаснішою 5-нм технікою Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Кожна плитка має вісім «X^e” ядра, а кожне з восьми ядер у свою чергу має вісім векторних і вісім спеціалізованих матричних двигунів. Плитки кладуться на «основну плитку», яка з’єднує їх із пам’яттю та зовнішнім світом за допомогою гігантського перемикача. Ця базова плитка виготовлена ​​за технологією Intel 7, що є новою назвою для вдосконаленого 10-нм виробничого процесу SuperFin компанії. Існує також високопродуктивна система пам’яті під назвою «RAMBO», що означає «пам’ять із довільним доступом, оптимізована пропускна здатність», яка була побудована на базовій плиті з використанням технології з’єднання Intel 7 Foveros. Також включено багато інших будівельних блоків.

Конструкція Ponte Vecchio є прикладом гетерогенної інтеграції, що поєднує 63 різних плитки (47, які виконують обчислювальні функції і 16 для управління тепловим режимом) із загальною кількістю понад 100 мільярдів транзисторів в одному корпусі розміром 77.5 x 62.5 мм (приблизно 3 x 2.5 дюйма). Це було не так давно, коли стільки обчислювальних потужностей заповнювало склад і вимагало власного підключення до електричної мережі. Інженерних проблем у такій конструкції багато:

З’єднання всіх деталей. Конструкторам потрібен спосіб переміщення сигналів між усіма різнорідними мікросхемами. У старі часи це робили проводами або слідами на друкованих платах, а мікросхеми кріпили, припаюючи їх до плат. Але це давно закінчилося, оскільки кількість сигналів і швидкість зросли. Якщо помістити все в одну мікросхему, ви можете з’єднати їх металевими слідами на задній частині виробничого процесу. Якщо ви хочете використовувати кілька мікросхем, це означає, що вам потрібно багато з’єднувальних контактів, і ви хочете, щоб відстані з’єднання були короткими. Intel використовує дві технології для підтримки цього. Перший - це його "вбудований багатокристалічний міжкомпонентний міст" (EMIB), який виготовлений з невеликої шматочки кремнію, який може забезпечувати сотні або тисячі з'єднань одночасно, а другий - це технологія Foveros. використовується в мобільному процесорі Lakefield.

Переконайтеся, що всі частини синхронізовані. Після того, як ви з’єднаєте багато різних частин, ви повинні переконатися, що всі частини можуть синхронно спілкуватися один з одним. Зазвичай це означає розподіл тактового сигналу, відомого як годинник, щоб усі мікросхеми могли працювати послідовно. Виявляється, що це не тривіально, оскільки сигнали мають тенденцію до перекосу, а середовище дуже шумне, з великою кількістю сигналів, які підскакують. Кожна обчислювальна плитка, наприклад, має понад 7,000 з’єднань на просторі 40 квадратних міліметрів, тож це дуже багато для синхронізації.

Управління теплом. Кожна з модульних плиток вимагає багато енергії, і рівномірно розподілити її по всій поверхні, одночасно відводячи тепло, що генерується, є величезним завданням. Мікросхеми пам’яті були складені протягом деякого часу, але тепло, яке генерується, розподіляється досить рівномірно. Чіпи чи плитки процесора можуть мати гарячі точки залежно від того, наскільки інтенсивно вони використовуються, а керувати теплом у 3D-стеці мікросхем непросто. Корпорація Intel використовувала процес металізації для задніх сторін мікросхем і інтегрувала їх із теплорозподільниками для роботи з прогнозованими 600 Вт, виробленими системою Ponte Vecchio.

Початкові лабораторні результати, про які повідомляє Intel, включали продуктивність >45 терафлопс. Суперкомп’ютер Aurora, який будується в Аргоннській національній лабораторії, використовуватиме понад 54,000 18,000 Ponte Vecchios разом із понад 2 1,000 процесорів Xeon нового покоління. Aurora має цільову максимальну продуктивність понад 1990 Exaflops, що в 100 разів більше, ніж машина Teraflop. Ще в середині XNUMX-х років, коли я займався суперкомп’ютерним бізнесом, машина на один терафлоп була науковим проектом вартістю XNUMX мільйонів доларів.

AMD Zen 3

AMD розповіла про своє мікропроцесорне ядро ​​другого покоління Zen 3, побудоване за 7-нм техпроцесом TSMC. Це мікропроцесорне ядро ​​було розроблено для використання в сегментах ринку AMD, від малопотужних мобільних пристроїв, настільних комп’ютерів і аж до найпотужніших серверів центрів обробки даних. Основним принципом цієї стратегії було упаковування його ядра Zen 3 з допоміжними функціями як «комплекс ядра» на одному чіплеті, який служив модульними будівельними блоками, схожими на плитки Intel. Таким чином, вони могли б упакувати вісім мікросхем разом для високопродуктивного настільного комп’ютера або сервера або чотири чіплети для системи цінностей, як дешеву домашню систему, яку я міг би купити. AMD також укладає мікросхеми вертикально за допомогою так званих наскрізних силіконових переходів (TSV), способу з’єднання кількох мікросхем, розміщених один на одному. Він також міг би поєднати від двох до восьми цих мікросхем із серверним кристалом, виготовленим за 12-нм процесу GlobalFoundries, щоб зробити його 3^rd покоління серверних мікросхем EPYC.

Чудова можливість, яку виділяють Ponte Vecchio і Zen 3, — це можливість змішувати та поєднувати чіпи, виготовлені за допомогою різних процесів. У випадку Intel це включало деталі, виготовлені як самостійно, так і за найсучаснішими процесами TSMC. AMD могла б поєднувати частини від TSMC і GlobalFoundries. Велика перевага з’єднання невеликих мікросхем або плиток разом, а не просто створення однієї великої мікросхеми, полягає в тому, що менші мікросхеми матимуть кращу продуктивність і, отже, менш затратні. Ви також можете поєднувати нові мікросхеми зі старими перевіреними, які, як ви знаєте, хороші, або які виготовлені за менш дорогим процесом.

Конструкції AMD і Intel є технічними тур де сили. Безсумнівно, вони представляють собою багато наполегливої ​​роботи та навчання, а також представляють величезні інвестиції ресурсів. Але так само, як IBM представила модульні підсистеми на своєму мейнфреймі System/360 у 1960-х роках, а персональні комп’ютери стали модульними в 1980-х, модульне розділення кремнієвих мікросистем, як приклади цих двох конструкцій та удосконалене пакування мікросхем, сповіщає про значний технологічний зрушення. Враховуючи, що багато можливостей, показаних тут, досі недоступні для більшості стартапів, але ми можемо уявити, що коли технологія стане доступнішою, вона викличе хвилю інновацій змішування та поєднання.