Chiplet: a feldolgozóegység definíciója és működése a modern processzorokban

A modern számítástechnika és a félvezetőipar az elmúlt évtizedekben óriási fejlődésen ment keresztül, melynek egyik mozgatórugója a tranzisztorok méretének folyamatos csökkentése volt. A Moore-törvény, mely szerint a tranzisztorok száma egy integrált áramkörön nagyjából kétévente megduplázódik, hosszú ideig irányt mutatott az iparágnak. Azonban ahogy a fizikai korlátokhoz egyre közelebb érünk, a hagyományos, monolitikus processzorgyártás egyre nagyobb kihívások elé néz. Itt lép színre a chiplet technológia, amely forradalmasítja a modern feldolgozóegységek tervezését és gyártását, új utakat nyitva a teljesítmény, az energiahatékonyság és a skálázhatóság terén.

A chiplet, vagy más néven lapka, lényegében egy apró, funkcionálisan önálló félvezető egység, amely egy nagyobb, komplexebb processzor részeként működik. Míg korábban egy teljes processzor – legyen az CPU, GPU vagy SoC (System-on-a-Chip) – egyetlen, nagy szilíciumlapkára volt integrálva, addig a chiplet architektúra lehetővé teszi, hogy a különböző funkciókat (pl. számítási magok, I/O vezérlők, memóriavezérlők, grafikus egységek) különálló, kisebb lapkákon valósítsák meg. Ezeket a lapkákat aztán egy közös hordozófelületen, egy úgynevezett interposer vagy packaging substrate segítségével kapcsolják össze, rendkívül gyors és alacsony késleltetésű összeköttetésekkel.

A monolitikus és a chiplet architektúra összehasonlítása

Ahhoz, hogy megértsük a chiplet technológia jelentőségét, érdemes röviden áttekinteni a hagyományos, monolitikus processzorarchitektúrát. Egy monolitikus chip esetében a teljes processzor funkciója egyetlen szilíciumdarabon valósul meg. Ez azt jelenti, hogy minden számítási mag, a gyorsítótárak, az I/O vezérlők, a grafikus egység és minden egyéb komponens ugyanarra a szilíciumlapkára van integrálva, ugyanazzal a gyártástechnológiával.

A monolitikus dizájn legnagyobb előnye a rendkívül alacsony késleltetés és a nagy sávszélesség a chipen belüli kommunikációban, mivel az adatoknak nem kell elhagyniuk a lapkát, és nincsenek külső csatlakozási pontokból eredő szűk keresztmetszetek. Azonban ez a megközelítés súlyos korlátokkal jár, különösen a gyártás során. Minél nagyobb egy szilíciumlapka, annál valószínűbb, hogy gyártási hibák, például szennyeződések vagy litográfiai problémák lépnek fel rajta. Ez drasztikusan csökkenti a gyártási hozamot (yield), vagyis az egy szilíciumszeletből kinyerhető hibátlan chipek számát. Egy hibás tranzisztor vagy áramkör a lapka bármely pontján az egész chip selejtezését okozhatja.

Ezzel szemben a chiplet architektúra alapvetően eltérő filozófiát követ. Ahelyett, hogy egy óriási, komplex chipet gyártanának, több kisebb, funkcionálisan dedikált chipletet állítanak elő. Ezek a chipletek különböző gyártástechnológiákkal is készülhetnek, ami óriási rugalmasságot biztosít. Például, a CPU számítási magjai készülhetnek a legmodernebb, legdrágább gyártástechnológiával (pl. 5nm vagy 3nm), míg az I/O vezérlők, amelyek kevésbé érzékenyek a tranzisztorméretre, készülhetnek egy érettebb, költséghatékonyabb technológiával (pl. 12nm vagy 7nm).

A chiplet technológia nem csupán egy evolúciós lépés, hanem paradigmaváltás a processzortervezésben, amely a modularitást és a specializációt helyezi előtérbe a monolitikus integrációval szemben.

A chiplet megközelítés jelentősen javítja a gyártási hozamot. Mivel a chipletek kisebbek, sokkal kisebb a valószínűsége, hogy egy adott lapkán hiba lép fel. Ha mégis hibás egy chiplet, csak azt az egy modult kell selejtezni, nem az egész komplex processzort. Ezáltal a gyártási költségek csökkennek, és a termelés hatékonyabbá válik. Az alábbi táblázat összefoglalja a két megközelítés főbb különbségeit:

A chiplet alapú processzorok felépítése és kulcselemei

A chiplet alapú processzorok működésének megértéséhez elengedhetetlen, hogy részletesebben megvizsgáljuk azok belső felépítését és a kulcsfontosságú komponenseket, amelyek lehetővé teszik a különálló lapkák zökkenőmentes együttműködését. A modern chiplet dizájnban több speciális chiplet típus és technológia is szerepet kap.

A különböző chiplet típusok

Egy chiplet alapú processzor számos különböző típusú chipletet tartalmazhat, amelyek mindegyike egy specifikus feladatot lát el:

• Számítási chipletek (Compute Dies): Ezek tartalmazzák a processzor alapvető számítási magjait, legyen szó CPU magokról (pl. AMD Zen magok) vagy GPU számítási egységekről (pl. NVIDIA SM-ek, AMD CU-k). Ezek a lapkák általában a legmodernebb és legkisebb gyártástechnológiával készülnek, mivel a teljesítmény és az energiahatékonyság szempontjából kritikusak.
• I/O chipletek (I/O Dies): Ezek felelnek a processzor külső kommunikációjáért. Tartalmazzák a memóriavezérlőket (pl. DDR5, LPDDR5), a PCIe vezérlőket (pl. PCIe Gen5, Gen6), az USB, SATA, Ethernet interfészeket és egyéb perifériás vezérlőket. Mivel ezek a funkciók kevésbé profitálnak a legkisebb tranzisztorméretből, gyakran egy régebbi, kiforrottabb és költséghatékonyabb gyártástechnológiával készülnek.
• Gyorsítótár chipletek (Cache Dies): Bizonyos architektúrákban, mint például az AMD 3D V-Cache technológiája, külön chipletek dedikált gyorsítótárat (pl. L3 cache) biztosítanak a számítási magok számára, jelentősen növelve a hozzáférhető memória sávszélességét és csökkentve a késleltetést.
• Speciális gyorsító chipletek (Accelerator Dies): Ahogy a számítási feladatok egyre diverzifikáltabbá válnak (pl. AI, gépi tanulás, kriptográfia), egyre gyakoribbá válik speciális gyorsító chipletek integrálása. Ezek lehetnek neurális hálózati egységek (NPU), DSP-k (Digital Signal Processor) vagy más dedikált feldolgozók.
• Grafikus chipletek (Graphics Dies): A GPU-k esetében a chiplet dizájn lehetővé teszi, hogy a grafikus számítási egységeket több kisebb lapkára osszák fel, amelyek együtt alkotják a teljes grafikus processzort. Az Intel Arc GPU-k és az AMD RDNA 3 architektúra is alkalmazza ezt a megközelítést.

Az interkonnekt technológiák: a chipletek közötti híd

A chipletek közötti kommunikáció kulcsfontosságú a teljes rendszer teljesítménye szempontjából. Ehhez ultra-gyors, alacsony késleltetésű és energiahatékony interkonnekt technológiákra van szükség. Ezek a „hidak” biztosítják, hogy a különálló lapkák úgy viselkedjenek, mintha egyetlen monolitikus chip részei lennének. Néhány jelentős interkonnekt technológia:

• AMD Infinity Fabric: Az AMD úttörő szerepet játszott a chiplet technológia elterjesztésében az Infinity Fabric bevezetésével. Ez a nagy sávszélességű, alacsony késleltetésű összeköttetés teszi lehetővé a CPU magokat tartalmazó „Core Complex Dies” (CCD) és az I/O die közötti kommunikációt az EPYC és Ryzen processzorokban. Az Infinity Fabric nem csak chipletek között, hanem több processzor foglalat között is képes kommunikálni, skálázhatóságot biztosítva a szerverekben.
• Intel EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) és Foveros: Az Intel saját interkonnekt és 3D stacking megoldásai. Az EMIB egy passzív szilíciumhíd, amely nagy sávszélességű kapcsolatot biztosít a lapkák között, míg a Foveros egy fejlettebb, 3D stacking technológia, amely lehetővé teszi a chipletek egymásra helyezését és vertikális összekapcsolását, minimalizálva a kommunikációs útvonalak hosszát.
• UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express): Ez az iparági szabványosítási kezdeményezés az egyik legfontosabb fejlesztés a chiplet ökoszisztémában. A UCIe célja, hogy egységes interfészt biztosítson a különböző gyártók chipletei között, lehetővé téve a „plug-and-play” kompatibilitást. Ez forradalmi lehetőség a félvezetőipar számára, mivel megnyitja az utat a vegyes gyártói ökoszisztémák, a nagyobb innováció és a fokozott verseny előtt. A UCIe a PCI Express (PCIe) és a Compute Express Link (CXL) protokollokra épül, biztosítva a széles körű kompatibilitást és a jövőbeni bővíthetőséget.

Csomagolási technológiák: az integráció kulcsa

Az interkonnekt technológiák mellett a fizikai csomagolási technológiák is kulcsfontosságúak a chipletek integrálásában. Ezek a technológiák határozzák meg, hogyan helyezkednek el a chipletek egymáshoz képest, és milyen módon kapcsolódnak a hordozófelülethez és a külső pinekhez.

• 2.5D Csomagolás: Ebben a megközelítésben a chipleteket egy szilícium interposerre helyezik, amely egy passzív hordozóréteg, és rendkívül sűrű, rövid összeköttetéseket biztosít a lapkák között. Az interposer maga is a csomagolás részét képezi, és a hagyományos PCB-hez (nyomtatott áramköri lap) képest sokkal finomabb vezetékeket és furatokat tartalmaz. Az AMD Fiji GPU-ja volt az egyik első kereskedelmi termék, amely 2.5D csomagolást használt HBM (High Bandwidth Memory) memóriával.
• 3D Stacking (3D Csomagolás): Ez a legfejlettebb technológia, ahol a chipleteket vertikálisan, egymás fölé helyezik, és TSV-k (Through-Silicon Vias) segítségével kapcsolják össze. A TSV-k apró, függőleges vezetékek, amelyek áthaladnak a szilíciumlapkákon, lehetővé téve az adatkommunikációt a rétegek között. Ez a megközelítés drámaian csökkenti a kommunikációs távolságot és növeli a sávszélességet, miközben minimalizálja az alapterületet. Az AMD 3D V-Cache technológiája, vagy az Intel Foveros technológiája is 3D stackinget alkalmaz.

Ezek a technológiák együttesen teszik lehetővé, hogy a chipletek egy koherens, nagy teljesítményű egységként működjenek, kihasználva a modularitás és a specializáció előnyeit, miközben minimalizálják a monolitikus dizájn korlátait.

A chiplet technológia fő előnyei

A chiplet architektúra nem csupán egy technológiai újdonság, hanem stratégiai válasz a félvezetőipar előtt álló kihívásokra. Számos jelentős előnnyel jár a hagyományos monolitikus dizájnhoz képest, amelyek hosszú távon alakítják a processzorfejlesztés jövőjét.

Moduláris felépítés és újrafelhasználhatóság

Az egyik legfontosabb előny a moduláris felépítés. A különböző funkciók külön chipletekbe való szétválasztása lehetővé teszi, hogy a tervezők „legó kockákhoz” hasonlóan építsék fel a komplex processzorokat. Ez a modularitás óriási rugalmasságot biztosít. Például, egy CPU gyártó könnyedén kombinálhatja ugyanazokat a számítási magokat tartalmazó chipleteket különböző I/O chipletekkel, hogy asztali PC-kbe, szerverekbe vagy beágyazott rendszerekbe szánt processzorokat hozzon létre, optimalizálva a költségeket és a teljesítményt az adott felhasználási területre.

A chipletek újrafelhasználhatósága jelentősen felgyorsítja a termékfejlesztést és csökkenti a tervezési költségeket. Egy jól megtervezett és letesztelt I/O chipletet számos különböző processzorprojektben fel lehet használni, anélkül, hogy minden alkalommal újra kellene tervezni az alapoktól. Ez nem csak időt takarít meg, hanem a hibalehetőségeket is csökkenti, mivel az újrahasznált modulok már bizonyítottan működnek.

Javított gyártási hozam és költséghatékonyság

Ahogy korábban is említettük, a gyártási hozam kritikus tényező a félvezetőiparban. A kisebb chipletek gyártása sokkal magasabb hozammal jár, mint egyetlen, nagy monolitikus chipé. Egy 300 mm-es szilíciumszeleten, ha egy nagy chipet gyártanak, egyetlen apró hiba is az egész chip elvesztését okozhatja. Ha azonban ezt a chipet több kisebb chipletre bontják, a hibás chipletet könnyebben azonosítani és eldobni lehet, miközben a többi chiplet továbbra is felhasználható. Ez drámaian növeli a hibátlan chipek számát egy szeletből, ami közvetlenül csökkenti a gyártási költségeket.

Ezen túlmenően, a chiplet dizájn lehetővé teszi a heterogén gyártástechnológiák alkalmazását. A legkritikusabb, teljesítményérzékeny komponensek (pl. CPU magok) gyárthatók a legdrágább és legmodernebb gyártási csomópontokon (pl. TSMC N3, N5), míg a kevésbé kritikus részek (pl. I/O vezérlők, memóriavezérlők) készülhetnek régebbi, kiforrottabb és sokkal olcsóbb technológiákkal (pl. TSMC N7, N12). Ez optimalizálja a teljes gyártási költséget anélkül, hogy kompromisszumot kellene kötni a legfontosabb teljesítményjellemzők terén.

Heterogén integráció és specializáció

A heterogén integráció az egyik legizgalmasabb előnye a chiplet technológiának. Ez azt jelenti, hogy különböző gyártók vagy akár különböző technológiákkal készült chipletek is integrálhatók egyetlen processzorba. Például, egy processzor tartalmazhatja az AMD CPU magjait, az NVIDIA GPU chipletjeit, és egy harmadik gyártó dedikált AI gyorsító chipletjét, mindezt egyetlen egységként. Ez korábban elképzelhetetlen volt a monolitikus dizájnnal.

Ez a képesség elősegíti a specializációt. Ahelyett, hogy egyetlen nagy chipet próbálnánk meg mindent tudóvá tenni, a chipletekkel a tervezők optimalizálhatják az egyes funkciókat a specifikus feladatokra. Például, egy chiplet lehet rendkívül hatékony a lebegőpontos számításokban (HPC), míg egy másik a neurális hálózati feldolgozásban (AI). Ez a „best-of-breed” megközelítés lehetővé teszi a rendszerek pontosabb illesztését a felhasználói igényekhez, optimalizálva a teljesítményt és az energiafogyasztást.

Fokozott teljesítmény és energiahatékonyság

A chipletek hozzájárulnak a teljesítmény skálázásához is. A monolitikus chipek mérete korlátozott a gyártási hozam miatt. A chipletekkel azonban sokkal több számítási magot és egyéb funkcionális egységet lehet integrálni egyetlen processzorba, egyszerűen több chiplet hozzáadásával. Az AMD EPYC szerverprocesszorai kiváló példák erre, akár 96 vagy 128 Zen magot is tartalmazhatnak, ami monolitikus dizájnnal rendkívül nehezen vagy egyáltalán nem lenne megvalósítható.

Az energiahatékonyság is javulhat. A heterogén integráció révén a kevésbé teljesítményérzékeny funkciók (pl. I/O) régebbi, de energiahatékonyabb gyártástechnológiával készülhetnek, ami csökkenti a teljes chip energiafogyasztását. Emellett, a moduláris felépítés lehetővé teszi az egyes chipletek független feszültség- és órajelszabályozását, ami további energiaoptimalizálási lehetőségeket kínál. A 3D stacking (pl. 3D V-Cache) drámaian csökkenti a kommunikációs távolságokat, ami kevesebb energiafelhasználást jelent az adatátvitel során.

Gyorsabb piacra jutás (Time-to-Market)

A rövidebb fejlesztési ciklusok és a gyorsabb piacra jutás (Time-to-Market, TTM) kritikus a versenyképes félvezetőiparban. A chiplet megközelítés jelentősen hozzájárul ehhez. Mivel a tervezők újra felhasználhatnak már létező, letesztelt chipleteket, nem kell minden alkalommal az egész processzort a nulláról megtervezniük. Ez felgyorsítja a prototípusok elkészítését, a tesztelést és a végleges termék piacra dobását. Egy új generációs processzor bevezetése például úgy valósulhat meg, hogy csak a számítási magokat tartalmazó chipletet frissítik a legújabb gyártástechnológiára, miközben az I/O chipletet változatlanul hagyják.

Összességében a chiplet technológia egy rendkívül rugalmas, költséghatékony és skálázható megoldást kínál a modern processzorok tervezésére és gyártására. Előnyei messze túlmutatnak a puszta tranzisztorszámon, és alapjaiban változtatják meg a félvezetőipar működését.

A chiplet dizájn kihívásai és korlátai

Bár a chiplet technológia számos jelentős előnnyel jár, nem mentes a kihívásoktól és korlátoktól sem. Ezek a nehézségek a tervezéstől a gyártáson át a szoftveres optimalizálásig terjednek, és a félvezetőipar folyamatosan dolgozik a leküzdésükön.

Interkonnekt komplexitás és késleltetés

Az egyik legnagyobb kihívás a chipletek közötti kommunikáció. Míg egy monolitikus chipen belül az adatok rendkívül gyorsan, szinte azonnal áramlanak a komponensek között, addig a chipletek közötti kommunikációnak át kell haladnia az interkonnekt interfészeken és a csomagoláson. Ez szükségszerűen megnöveli az adatátvitel késleltetését (latency) és energiafogyasztását. Bár a modern interkonnekt technológiák (pl. UCIe, Infinity Fabric) rendkívül fejlettek, még mindig nem érhetik el a monolitikus chipen belüli „vezetéksebességet”.

Ez a késleltetés különösen érzékeny lehet olyan alkalmazások esetében, ahol az adatoknak gyakran kell mozogniuk a különböző chipletek (pl. CPU magok és gyorsítótárak) között. A tervezőknek gondosan optimalizálniuk kell az adatáramlást és a gyorsítótárazási hierarchiát, hogy minimalizálják az inter-chiplet kommunikáció hatását a teljesítményre.

Energiaellátás és hőmenedzsment

A chiplet alapú processzorok gyakran több, aktívan működő chipletet tartalmaznak egyetlen csomagban. Ez koncentrált hőtermeléssel jár, ami komoly hőmenedzsment kihívásokat vet fel. A hő elvezetése a kis területről, ahol több lapka is aktívan dolgozik, bonyolultabb, mint egyetlen, nagyobb monolitikus chip esetében. Megfelelő hűtési megoldásokra van szükség, amelyek hatékonyan vezetik el a hőt a chipletek felületéről, megakadályozva a túlmelegedést és a teljesítménycsökkenést.

Az energiaellátás is bonyolultabbá válik. Minden chipletnek stabil és tiszta tápellátásra van szüksége, ami a csomagoláson belüli komplex vezetékrendszert igényel. A nagyszámú chiplet egyidejű működése jelentős áramingadozásokat okozhat, amelyek megfelelő szűrést és stabilitást igényelnek az optimális működéshez.

Szoftveres optimalizáció és ütemezés

A hardveres komplexitás mellett a szoftveres optimalizáció is új kihívásokat rejt. Az operációs rendszereknek és az alkalmazásoknak tudniuk kell, hogyan kezeljék a chiplet alapú architektúrákat a leghatékonyabb módon. Például, a feladatok ütemezésekor figyelembe kell venni, hogy melyik chipleten melyik erőforrás érhető el a leggyorsabban. A rossz ütemezés jelentősen megnövelheti az inter-chiplet kommunikációt, ami késleltetéshez és teljesítményvesztéshez vezethet.

A programozóknak és a fordítóprogramoknak is adaptálódniuk kell. Az adatok elhelyezése a különböző memóriahierarchiákban, és a számítási feladatok elosztása a megfelelő chipletekre kulcsfontosságúvá válik a maximális teljesítmény kiaknázásához. Ez a „chiplet-tudatos” szoftverfejlesztés egy új terület, amely folyamatos kutatást és fejlesztést igényel.

Ellenőrzés és tesztelés

A chiplet alapú rendszerek tesztelése és ellenőrzése lényegesen bonyolultabb, mint a monolitikus chipeké. Míg egy monolitikus chip esetében az egész rendszert egy egységként tesztelik, addig a chiplet dizájnban minden egyes chipletet külön-külön kell tesztelni a gyártás során, majd az összeszerelés után az integrált rendszert is ellenőrizni kell. Ez magában foglalja a chipletek közötti interkonnekt integritásának, az adatátviteli sebességnek és a hibatűrésnek a tesztelését is.

A különböző gyártóktól származó chipletek integrálása esetén a tesztelési protokollok és a hibakeresési folyamatok még összetettebbé válnak. Az iparági szabványok, mint a UCIe, segítenek ebben, de a komplexitás továbbra is jelentős marad.

Szabványosítás és ökoszisztéma

Bár a UCIe szabvány ígéretes lépés az egységesítés felé, a chiplet ökoszisztéma még viszonylag fiatal. Ahhoz, hogy a chipletek teljes potenciálját ki lehessen használni, széles körű iparági együttműködésre van szükség a szabványok, a tervezési eszközök és a gyártási folyamatok terén. A különböző gyártók chipleteinek zökkenőmentes együttműködése csak akkor valósulhat meg teljesen, ha az interfészek, a protokollok és a tesztelési eljárások egységesek.

A supply chain (ellátási lánc) komplexitása is növekszik. A monolitikus chip esetében egyetlen gyártó (vagy egy integrált gyártó) felel a teljes chipért. A chiplet dizájnban azonban több gyártó, különböző technológiákkal és telephelyekkel vehet részt egyetlen processzor előállításában. Ez logisztikai és minőségellenőrzési kihívásokat vet fel.

Ezek a kihívások nem leküzdhetetlenek, de folyamatos innovációt és együttműködést igényelnek az iparágtól. A chiplet technológia fejlődésével ezek a korlátok várhatóan fokozatosan enyhülnek, de a tervezőknek mindig szem előtt kell tartaniuk őket a hatékony és megbízható rendszerek létrehozásához.

Jelentős szereplők és példák a chiplet alkalmazására

A chiplet technológia nem csupán elméleti koncepció; számos vezető félvezetőgyártó már aktívan alkalmazza termékeiben, és ezzel forradalmasítja a piacot. Az alábbiakban bemutatjuk a legfontosabb szereplőket és az általuk bevezetett chiplet alapú processzorokat.

AMD: az úttörő és a piacvezető

Az AMD (Advanced Micro Devices) vitathatatlanul az egyik legnagyobb úttörő és vezető szereplő a chiplet technológia terén. A cég 2017-ben, a Zen architektúra bevezetésével, és különösen a Ryzen asztali és EPYC szerverprocesszorokkal robbant be a köztudatba. Az AMD sikere nagyban köszönhető a chiplet megközelítésnek.

• AMD Ryzen és EPYC processzorok: Az AMD CPU-i a Core Complex Dies (CCD) nevű chipleteket használják, amelyek mindegyike CPU magokat és L3 gyorsítótárat tartalmaz. Ezeket a CCD-ket egy különálló I/O die-val (IO-Die) kötik össze az Infinity Fabric interkonnekt segítségével. Az I/O die kezeli a memóriavezérlőket és a PCIe interfészeket. Ez a moduláris felépítés tette lehetővé az AMD számára, hogy rendkívül költséghatékonyan skálázza fel a magok számát, akár 64 vagy 96 magig az EPYC szerverprocesszorokban, ami korábban elképzelhetetlen volt monolitikus dizájnnal.
• AMD RDNA 3 (Navi 3x) GPU-k: Az AMD grafikus processzorai is áttértek a chiplet dizájnra az RDNA 3 architektúrával. Ezek a GPU-k egy nagy Graphics Compute Die-t (GCD) és több kisebb Memory Cache Dies-t (MCD) használnak. A GCD tartalmazza a grafikus számítási egységeket, míg az MCD-k a gyorsítótárat és a memóriainterfészeket biztosítják. Ez a megközelítés javítja a gyártási hozamot és a skálázhatóságot a grafikus kártyák esetében is.
• AMD 3D V-Cache: Az AMD továbbfejlesztette chiplet stratégiáját a 3D V-Cache technológiával, amelyet először a Ryzen 7 5800X3D processzorban mutattak be. Ez a technológia lehetővé teszi egy extra gyorsítótár chiplet (L3 cache) vertikális stackelését a CPU számítási magokat tartalmazó CCD-re, jelentősen növelve a hozzáférhető gyorsítótár méretét és csökkentve a késleltetést a játékok és más gyorsítótár-érzékeny alkalmazások számára.

Intel: felzárkózás és innováció

Az Intel, bár kezdetben ragaszkodott a monolitikus dizájnhoz, felismerte a chiplet technológia jelentőségét, és ma már aktívan alkalmazza azt termékeiben. Az Intel megközelítése az EMIB és Foveros csomagolási technológiákra épül.

• Intel Meteor Lake: Ez az első asztali és mobil processzor, amely az Intel nagyszabású chiplet stratégiáját tükrözi. A Meteor Lake egy „csempés” (tiled) architektúrát használ, ahol a különböző funkcionális blokkok (Compute Tile, Graphics Tile, SoC Tile, I/O Tile) különálló chipletekként készülnek, és az Foveros 3D csomagolási technológiával kapcsolódnak egymáshoz. Ez lehetővé teszi az Intel számára, hogy különböző gyártástechnológiákkal készült chipleteket integráljon (pl. az Intel saját folyamatai és a TSMC külső gyártása).
• Intel Ponte Vecchio (Data Center GPU): Az Intel nagyteljesítményű adatközponti GPU-ja, a Ponte Vecchio (Intel Max Series GPU) rendkívül komplex chiplet dizájnt alkalmaz, több tucat különböző chiplettel és EMIB összeköttetésekkel. Ez a monolitikus chipként szinte lehetetlen lenne legyártani, de a chiplet megközelítés lehetővé teszi az extrém skálázhatóságot és teljesítményt a HPC és AI feladatokhoz.

NVIDIA: a GPU-k jövője

Az NVIDIA is egyre inkább a chiplet architektúra felé fordul, különösen a nagyteljesítményű adatközponti GPU-k és az AI gyorsítók terén. Bár a fogyasztói GPU-k még nagyrészt monolitikusak, a jövőbeni generációk valószínűleg egyre inkább chiplet alapúak lesznek.

• NVIDIA Grace Hopper Superchip: Ez a platform a Grace CPU chipletet (ARM alapú) és a Hopper GPU chipletet integrálja egyetlen szuperchipbe, rendkívül gyors NVLink-C2C (Chip-to-Chip) interkonnekt segítségével. Ez a megoldás extrém sávszélességet és alacsony késleltetést biztosít a CPU és a GPU között, optimalizálva a teljesítményt a HPC és AI számításokhoz.
• NVIDIA Blackwell architektúra: A Blackwell GPU-k már a chiplet dizájnt használják, két GPU lapkát integrálva egyetlen package-be, rendkívül gyors összeköttetésekkel. Ez lehetővé teszi az NVIDIA számára, hogy még nagyobb számítási teljesítményt és memóriát kínáljon a jövő AI-feladataihoz.

Apple és mások

Az Apple a saját fejlesztésű M-sorozatú chipjeiben (pl. M1 Ultra, M2 Ultra) is alkalmazza a chiplet-szerű megközelítést, bár ők ezt „UltraFusion” technológiának nevezik. Két különálló M1/M2 Max chipet kapcsolnak össze egy rendkívül nagy sávszélességű interposerrel, lényegében egyetlen, monolitikus chipként viselkedő egységet hozva létre. Ez a megoldás hatalmas számítási és grafikai teljesítményt tesz lehetővé a Mac Pro és Mac Studio gépekben.

A TSMC, a világ legnagyobb félvezető öntödéje, szintén kulcsszerepet játszik a chiplet technológia elterjedésében. A cég fejlett csomagolási technológiái, mint a CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) és az InFO (Integrated Fan-Out), elengedhetetlenek a komplex chiplet rendszerek gyártásához. A TSMC aktívan támogatja a UCIe szabványt is, ami tovább gyorsíthatja a chiplet ökoszisztéma növekedését.

A chiplet technológia tehát nem csupán egy ígéretes jövőbeli fejlesztés, hanem a modern processzorok alapja, amelyet a legnagyobb iparági szereplők már széles körben alkalmaznak, és amely folyamatosan formálja a számítástechnika jövőjét.

A chipletek jövője és a félvezető ipar alakulása

A chiplet technológia a félvezetőipar egyik legfontosabb trendje, amely alapjaiban alakítja át a processzorok tervezését, gyártását és az egész iparági ökoszisztémát. Ahogy a Moore-törvény fizikai korlátai egyre inkább érvényesülnek, a chipletek kulcsfontosságúvá válnak a folyamatos teljesítménynövelés és az innováció fenntartásában.

Fejlett csomagolási technológiák és a 3D integráció

A jövőben a fejlett csomagolási technológiák, különösen a 3D integráció, még nagyobb szerepet kapnak. A chipletek vertikális egymásra helyezése (3D stacking) a TSV-k (Through-Silicon Vias) segítségével drámaian csökkenti a chipletek közötti kommunikációs távolságot, ezáltal növelve a sávszélességet és csökkentve a késleltetést, miközben minimalizálja az alapterületet. Ez különösen fontos a memóriák integrálásánál (pl. HBM – High Bandwidth Memory), ahol a memória chipleteket közvetlenül a logikai chipletre stackelik, rendkívül gyors hozzáférést biztosítva.

A kutatás és fejlesztés a hibrid bonding technológiákra is kiterjed, amelyek lehetővé teszik a chipletek szorosabb és finomabb pitch-ű (érintkezési pontok közötti távolság) összekapcsolását, mint valaha. Ez még hatékonyabb energiaátvitelt és jelintegritást eredményez a vertikálisan integrált rendszerekben.

Optikai interkonnekt technológiák

A chipletek közötti kommunikáció további skálázásához az optikai interkonnekt technológiák jelenthetik a következő nagy lépést. A réz alapú elektromos összeköttetések korlátozottak a sávszélesség, az energiafogyasztás és a távolság tekintetében. Az optikai összeköttetések, amelyek fényt használnak adatok továbbítására, sokkal nagyobb sávszélességet és alacsonyabb energiafogyasztást kínálnak, különösen hosszabb távolságokon.

Jelenleg a kutatás a fotonika szilíciumra való integrálására összpontosít, ami lehetővé tenné a lézerforrások, modulátorok és detektorok közvetlen beépítését a chipletekbe. Ez forradalmasíthatja a chip-to-chip, sőt, a chiplet-to-chiplet kommunikációt, és megnyitná az utat a még nagyobb, elosztott számítási rendszerek előtt.

Memória integráció és CXL

A memória integráció egyre szorosabbá válik a chiplet architektúrákban. A 3D V-Cache és a HBM már most is mutatja, mekkora előnyökkel jár a gyorsítótárak és a memória közvetlen integrálása a számítási chipletekkel. A jövőben még szorosabb integrációra számíthatunk, ahol a memória funkciók is önálló chipletekként jelenhetnek meg, optimalizálva a teljesítményt és az energiafogyasztást.

A CXL (Compute Express Link) protokoll szintén kulcsfontosságú a memória és az I/O kezelésében a chiplet alapú rendszerekben. A CXL lehetővé teszi a CPU-k, GPU-k és más gyorsítók számára, hogy konzisztens módon férjenek hozzá a megosztott memóriához és perifériákhoz, javítva a rendszer hatékonyságát és skálázhatóságát. Ez elengedhetetlen a heterogén chiplet rendszerekben, ahol különböző típusú chipleteknek kell zökkenőmentesen együttműködniük.

AI gyorsítás és dedikált chipletek

A mesterséges intelligencia (AI) és a gépi tanulás (ML) robbanásszerű fejlődése további lökést ad a chiplet technológiának. Az AI-feladatok rendkívül specifikus számítási igényekkel rendelkeznek, amelyekhez dedikált gyorsító chipletek (pl. NPU-k, TPU-k) szükségesek. A chiplet dizájn lehetővé teszi ezen speciális AI chipletek rugalmas integrálását a CPU-k és GPU-k mellé, optimalizálva a rendszereket az AI-munkaterhelésekre anélkül, hogy az egész chipet újra kellene tervezni.

A jövőben még több speciális célú chiplet megjelenésére számíthatunk, amelyek dedikált funkciókat látnak el, legyen szó biztonságról, hálózati feldolgozásról, vagy akár kvantum-számítási modulokról. Ez a specializáció és modularitás a chiplet technológia egyik legnagyobb ígérete.

Az iparági szabványok szerepe (UCIe)

A UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) szabvány kritikus fontosságú a chiplet ökoszisztéma éretté válásához. A szabványosított interkonnekt interfész lehetővé teszi a különböző gyártók chipleteinek egymás közötti kommunikációját, ami korábban elképzelhetetlen volt. Ez ösztönzi az innovációt, csökkenti a fejlesztési költségeket és elősegíti a kisebb vállalatok számára is a chiplet alapú termékek fejlesztését.

A UCIe révén a jövőben elképzelhetővé válik, hogy a felhasználók vagy a rendszertervezők különböző gyártók chipleteit kombinálva építsenek fel egyedi, optimalizált processzorokat a specifikus igényeiknek megfelelően. Ez a „nyílt chiplet ökoszisztéma” forradalmasíthatja a félvezetőipart, hasonlóan ahhoz, ahogy a PCI Express szabvány standardizálta a perifériák csatlakoztatását.

Összességében a chiplet technológia a modern processzorok építőköve, amely nem csupán a Moore-törvény lassulására ad választ, hanem új lehetőségeket is teremt a teljesítmény, az energiahatékonyság és a rugalmasság terén. A folyamatos kutatás-fejlesztés, a fejlett csomagolási technológiák és az iparági együttműködés révén a chipletek még sokáig a félvezetőipar élvonalában maradnak, formálva a számítástechnika jövőjét az adatközpontoktól a végfelhasználói eszközökig.