Intelov Ponte Vecchio in AMD-jev Zen 3 kažeta obljubo napredne tehnologije polprevodniške embalaže

Intel in AMD sta ta teden na mednarodni konferenci polprevodniških vezij razpravljala o nekaterih svojih najnaprednejših zasnovah čipov in poudarila vlogo, ki jo ima napredna embalaža v njihovih prihodnjih visokokakovostnih čipih. V obeh primerih impresivne nove zmogljivosti izvirajo iz modularnih pristopov, ki združujejo gradnike, izdelane v različnih tovarnah z različnimi proizvodnimi procesi. Ponazarja ogromen potencial embalaže čipov v prihodnosti polprevodniških inovacij.

Intelov ciljni trg za Ponte Vecchio je kot visoko zmogljiv modul, ki ga je treba vgraditi v velike sisteme podatkovnih centrov. Je grafična procesna enota (GPU) in je zasnovana za aplikacije na področju umetne inteligence, strojnega učenja in računalniške grafike. Ime je dobil po srednjeveškem kamnitem mostu, ki povezuje Piazza della Signoria na eni strani reke Arno v Firencah v Italiji s Pallazzo Pitti na drugi strani. Eden od vrhuncev zasnove je, kako povezuje množico specializiranih čipov – gradnikov integriranega vezja, ki naj bi bili združeni v popolne sisteme.

Ponte Vecchio uporablja osem "ploščic", izdelanih po najnaprednejšem 5 nm procesu podjetja Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Vsaka ploščica ima osem "X^e” jeder, vsako od osmih jeder pa ima osem vektorskih in osem specializiranih matričnih motorjev. Ploščice so postavljene na "osnovno ploščico", ki jih povezuje s spominom in zunanjim svetom z velikansko stikalo. Ta osnovna ploščica je izdelana z uporabo postopka podjetja “Intel 7”, ki je novo ime za izboljšan 10 nm proizvodni proces podjetja SuperFin. Obstaja tudi visoko zmogljiv pomnilniški sistem, imenovan "RAMBO", kar pomeni Random Access Memory, Bandwidth Optimized, ki je bil zgrajen na osnovni ploščici z uporabo tehnologije povezovanja Intel 7 Foveros. Vgrajenih je tudi veliko drugih gradnikov.

Zasnova Ponte Vecchio je študija primera v heterogeni integraciji – združuje 63 različnih ploščic (47, ki izvajajo računalniške funkcije in 16 za upravljanje toplote) s skupno več kot 100 milijardami tranzistorjev v enem samem paketu, ki meri 77.5 x 62.5 mm (približno 3 x 2.5 palca). Ni bilo tako dolgo nazaj, ko je toliko računalniške moči napolnilo skladišče in zahtevalo lastno povezavo z električnim omrežjem. Inženirski izzivi pri takšni zasnovi so številni:

Povezovanje vseh delov. Oblikovalci potrebujejo način za premikanje signalov med vsemi različnimi čipi. V starih časih so to počeli z žicami ali sledi na tiskanih vezjih, čipe pa so pritrdili tako, da so jih spajkali na plošče. A tega je že zdavnaj zmanjkalo, saj se je povečalo število signalov in hitrost. Če vse postavite v en sam čip, jih lahko povežete s kovinskimi sledmi v zadnjem delu proizvodnega procesa. Če želite uporabiti več čipov, to pomeni, da potrebujete veliko povezovalnih zatičev in želite, da so povezovalne razdalje kratke. Intel za to podpira dve tehnologiji. Prvi je njegov "vgrajeni multi-die interconnect bridge" (EMIB), ki je narejen iz majhnega silicija, ki lahko zagotovi na stotine ali tisoče povezav naenkrat, in drugi je njegova Foveros tehnologija za zlaganje matrice na matrice. uporablja v svojem mobilnem procesorju Lakefield.

Prepričajte se, da so vsi deli sinhronizirani. Ko povežete veliko različnih kosov, morate zagotoviti, da se lahko vsi deli pogovarjajo med seboj sinhronizirano. To običajno pomeni distribucijo časovnega signala, znanega kot ura, tako da lahko vsi čipi delujejo v korakih. Izkazalo se je, da to ni nepomembno, saj se signali nagibajo, okolje pa je zelo hrupno, z veliko signalov, ki se odbijajo. Vsaka računalniška ploščica ima na primer več kot 7,000 povezav v prostoru 40 kvadratnih milimetrov, tako da je to veliko za sinhronizacijo.

Upravljanje toplote. Vsaka modularna ploščica zahteva veliko energije in enakomerno oddajanje po celotni površini ob odvajanju toplote, ki nastane, je velik izziv. Pomnilniški čipi so bili že nekaj časa zloženi, vendar je proizvedena toplota dokaj enakomerno porazdeljena. Procesorski čipi ali ploščice imajo lahko vroče točke, odvisno od tega, kako močno se uporabljajo, in upravljanje toplote v 3D svežnju čipov ni enostavno. Intel je uporabil postopek metalizacije za zadnje strani čipov in jih integriral s toplotnimi razpršilci, da bi obvladal predvidene 600 vatov, ki jih proizvaja sistem Ponte Vecchio.

Začetni laboratorijski rezultati, o katerih je poročal Intel, so vključevali zmogljivost >45 teraflopsov. Superračunalnik Aurora, ki ga gradijo v Argonne National Laboratories, bo uporabljal več kot 54,000 Ponte Vecchios skupaj z več kot 18,000 procesorji Xeon naslednje generacije. Aurora ima ciljno maksimalno zmogljivost več kot 2 Exaflopsa, kar je 1,000-krat več kot stroj Teraflop. Sredi devetdesetih let prejšnjega stoletja, ko sem se ukvarjal s superračunalniki, je bil stroj za en Teraflop znanstveni projekt vreden 1990 milijonov dolarjev.

AMD-jev Zen 3

AMD je govoril o svojem mikroprocesorskem jedru druge generacije Zen 3, zgrajenem po 7 nm procesu TSMC. To mikroprocesorsko jedro je bilo zasnovano za uporabo v vseh tržnih segmentih AMD, od mobilnih naprav z majhno porabo, namiznih računalnikov in vse do njegovih najmočnejših strežnikov podatkovnih centrov. Osrednje načelo te strategije je bilo pakiranje svojega jedra Zen 3 s podpornimi funkcijami kot "kompleks jedra" na enem samem čipu, ki je služil kot modularni gradniki podobno kot Intelove ploščice. Tako bi lahko skupaj zapakirali osem čipov za visoko zmogljiv namizni računalnik ali strežnik ali štiri čipe za vrednostni sistem, kot bi lahko kupil poceni domači sistem. AMD tudi zlaga čipe navpično z uporabo tako imenovanih skoz-silicijevih prehodov (TSV), načina povezovanja več čipov, nameščenih drug na drugega. Prav tako bi lahko združil dva do osem teh čipov s strežniško matrico, izdelano po 12 nm procesu GlobalFoundries, da bi naredil svoje 3^rd generacija strežniških čipov EPYC.

Velika priložnost, ki jo poudarjata Ponte Vecchio in Zen 3, je zmožnost mešanja in ujemanja čipov, izdelanih z različnimi postopki. V Intelovem primeru je to vključevalo dele, izdelane tako samostojno kot tudi po najnaprednejših postopkih TSMC. AMD bi lahko združil dele iz TSMC in GlobalFoundries. Velika prednost povezovanja manjših čipov ali ploščic skupaj namesto samo izdelave enega velikega čipa je, da bodo manjši imeli boljši proizvodni izkoristek in so zato cenejši. Nove čipe lahko tudi mešate in ujemate s starejšimi preizkušenimi, za katere veste, da so dobri ali so narejeni po cenejšem postopku.

Tako AMD kot Intelov dizajn sta tehnični tour de force. Brez dvoma predstavljajo veliko trdega dela in učenja ter predstavljajo ogromne naložbe sredstev. Toda tako kot je IBM v šestdesetih letih prejšnjega stoletja predstavil modularne podsisteme v svojem glavnem sistemu System/360, osebni računalniki pa so postali modularni v 1960. letih, modularna delitev silicijevih mikrosistemov, kot jo ponazarjata ta dva dizajna in omogoča napredna embalaža čipov, napoveduje pomemben tehnološki premik. Številne zmogljivosti, prikazane tukaj, so še vedno nedosegljive večini novoustanovljenih podjetij, vendar si lahko predstavljamo, da bo, ko bo tehnologija postala bolj dostopna, sprožila val inovacij mešanja in ujemanja.