Ponte Vecchio של אינטל וה-Zen 3 של AMD מציגים את ההבטחה של טכנולוגיית אריזת מוליכים למחצה מתקדמת

אינטל ו-AMD דנו בכמה מתכנוני השבבים המתקדמים ביותר שלהן בוועידת המעגלים הבינלאומיים של מוצק מצבים השבוע, והדגישו את התפקיד שממלאת האריזה המתקדמת במוצרי השבבים המתקדמים העתידיים שלהן. בשני המקרים, יכולות הביצועים החדשות והמרשימות מגיעות מגישות מודולריות המשלבות אבני בניין שיוצרו במפעלים שונים תוך שימוש בתהליכי ייצור שונים. זה ממחיש את הפוטנציאל העצום של אריזת שבבים בעתיד של חדשנות מוליכים למחצה.

שוק היעד של אינטל עבור פונטה וקיו הוא כמודול ביצועים גבוהים שיובנה במערכות מרכזי נתונים גדולות. זוהי יחידת עיבוד גרפית (GPU), והיא מיועדת ליישומים בבינה מלאכותית, למידת מכונה וגרפיקה ממוחשבת. הוא קרוי על שם גשר האבן מימי הביניים המחבר בין פיאצה דלה סיניוריה בצד אחד של נהר הארנו בפירנצה, איטליה עם פלאצו פיטי בצד השני. אחד מנקודות השיא של העיצוב הוא האופן שבו הוא מחבר שפע של שבבים מיוחדים - אבני בניין מעגלים משולבים שנועדו לשלב כדי ליצור מערכות שלמות.

Ponte Vecchio משתמש בשמונה "אריחים" המיוצרים בתהליך המתקדם ביותר של חברת Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC) של 5 ננומטר. לכל אריח יש שמונה "X^e” ליבות, ולכל אחת משמונה הליבות בתורה יש שמונה מנועי וקטור ושמונה מנועי מטריקס מיוחדים. האריחים מונחים על גבי "אריח בסיס", המחברים אותם לזיכרון ולעולם החיצון עם בד מתגים ענק. אריח בסיס זה נבנה באמצעות תהליך "Intel 7" של החברה, שהוא שם חדש לתהליך הייצור המשופר של 10 ננומטר SuperFin של החברה. ישנה גם מערכת זיכרון בעלת ביצועים גבוהים בשם "RAMBO", המהווה ראשי תיבות של Random Access Memory, Bandwidth Optimized, אשר נבנתה על אריח בסיס באמצעות טכנולוגיית Interconnect Intel 7 Foveros. הרבה אבני בניין אחרות משולבות גם כן.

עיצוב פונטה וקיו הוא מקרה בוחן באינטגרציה הטרוגנית - המשלב 63 אריחים שונים (47 המבצעים פונקציות מחשוב ו-16 לניהול תרמי) עם סך של למעלה מ-100 מיליארד טרנזיסטורים בחבילה אחת בגודל 77.5 x 62.5 מ"מ (כ-3 x 2.5 אינץ'). זה לא היה כל כך מזמן כאשר כוח מחשוב רב כל כך מילא מחסן והצריך חיבור משלו לרשת החשמל. האתגרים ההנדסיים בתכנון כזה הם בשפע:

חיבור כל החלקים. מעצבים צריכים דרך להעביר אותות בין כל השבבים השונים. בימים עברו, זה נעשה עם חוטים או עקבות על מעגלים מודפסים, ושבבים הוצמדו על ידי הלחמתם אל הלוחות. אבל זה נגמר מזמן, ככל שמספר האותות והמהירות גדלו. אם תכניס הכל לשבב בודד, תוכל לחבר אותם עם עקבות מתכת בקצה האחורי של תהליך הייצור. אם אתה רוצה להשתמש במספר שבבים, זה אומר שאתה צריך הרבה פינים חיבור, ואתה רוצה שמרחקי החיבור יהיו קצרים. אינטל משתמשת בשתי טכנולוגיות כדי לתמוך בכך. הראשון הוא "גשר החיבורים המשובץ מרובה מות" שלו (EMIB) שעשוי מרסיס קטן של סיליקון שיכול לספק מאות או אלפי חיבורים בו זמנית, והשני הוא טכנולוגיית הערימה של Foveros למות-למוות. בשימוש במעבד הנייד שלה Lakefield.

מוודאים שכל החלקים מסונכרנים. ברגע שאתה מחבר הרבה חלקים שונים, אתה צריך לוודא שכל החלקים יכולים לדבר אחד עם השני בסינכרוני. זה בדרך כלל אומר הפצת אות תזמון המכונה שעון, כך שכל השבבים יוכלו לעבוד בשלב נעילה. מסתבר שזה לא טריוויאלי, שכן האותות נוטים להיות מוטים והסביבה רועשת מאוד, עם הרבה אותות שמקפצים מסביב. לכל אריח מחשוב, למשל, יש יותר מ-7,000 חיבורים במרחב של 40 מילימטרים רבועים, כך שיש הרבה מה לסנכרן.

ניהול חום. כל אחד מהאריחים המודולריים דורש כוח רב, והספקתו אחידה על פני כל פני השטח תוך הסרת החום שנוצר הוא אתגר עצום. שבבי זיכרון נערמו במשך זמן מה, אבל החום שנוצר מופץ בצורה די אחידה. לשבבי מעבד או לאריחים יכולים להיות נקודות חמות בהתאם למידת השימוש בהם, וניהול החום בערימה תלת-ממדית של שבבים אינו קל. אינטל השתמשה בתהליך מתכת עבור הצדדים האחוריים של שבבים, ושילבה אותם עם מפזרי חום כדי להתמודד עם 3 הוואט החזויים המיוצרים על ידי מערכת פונטה וקיו.

תוצאות מעבדה ראשוניות שעליהן דיווחה אינטל כללו יותר מ-45 ביצועי Teraflops. מחשב העל Aurora שנבנה במעבדות הלאומיות של Argonne ישתמש ביותר מ-54,000 Ponte Vecchios יחד עם יותר מ-18,000 מעבדי Xeon מהדור הבא. לאורורה יש ביצועי שיא ממוקדים של למעלה מ-2 Exaflops, שהם פי 1,000 יותר ממכונת Teraflop. באמצע שנות ה-1990, כשהייתי בעסקי מחשבי העל, מכונת Teraflop אחת הייתה פרויקט מדעי של 100 מיליון דולר.

Zen 3 של AMD

AMD דיברה על ליבת המיקרו-מעבד Zen 3 שלה מהדור השני הבנויה על תהליך ה-7 ננומטר של TSMC. ליבת מיקרו-מעבד זו תוכננה לשימוש על פני פלחי השוק של AMD, ממכשירים ניידים בעלי הספק נמוך, מחשבים שולחניים וכל הדרך ועד לשרתי מרכז הנתונים החזקים ביותר שלה. העיקרון המרכזי של אסטרטגיה זו היה אריזת ליבת ה-Zen 3 שלה עם פונקציות תמיכה כ"קומפלקס ליבה" על שבב בודד, ששימש כאבני בניין מודולריים בדומה לאריחים של אינטל. כך הם יכלו לארוז שמונה שבבים יחד עבור שולחן עבודה או שרת עם ביצועים גבוהים, או ארבעה שבבים עבור מערכת ערך, כמו מערכת ביתית זולה שאולי אקנה. AMD גם עורמת שבבים בצורה אנכית על ידי שימוש במה שנקרא דרך סיליקון (TSVs), דרך לחבר מספר שבבים המונחים זה על גבי זה. זה יכול גם לשלב שניים עד שמונה מהצ'יפלטים האלה עם קוביית שרת שנוצרה בתהליך של GlobalFoundries 12 ננומטר כדי להפוך את ה-3 שלו.^rd שבבי שרת EPYC מהדור.

ההזדמנות הגדולה ש-Ponte Vecchio ו-Zen 3 מדגישים היא היכולת לערבב ולהתאים שבבים שנעשו בתהליכים שונים. במקרה של אינטל, זה כלל חלקים שנעשו בכוחות עצמו וגם בתהליכים המתקדמים ביותר של TSMC. AMD יכולה לשלב חלקים מ-TSMC ו-GlobalFoundries. יתרון גדול של חיבור שבבים קטנים יותר או אריחים יחד במקום רק לבנות שבב אחד גדול הוא שלקטנים יהיו תשואות ייצור טובות יותר ולכן הם פחות יקרים. אתה יכול גם לערבב ולהתאים צ'יפלטים חדשים עם כאלה מוכחים יותר שאתה יודע שהם טובים, או שיוצרים בתהליך פחות יקר.

הן העיצובים של AMD והן של אינטל הם טכניים טורים דה כוח. אין ספק שהם מייצגים הרבה עבודה קשה ולמידה, ומייצגים השקעות עצומות של משאבים. אבל בדיוק כפי ש-IBM הציגה תתי-מערכות מודולריות במערכת המרכזית/360 שלה בשנות ה-1960, ומחשבים אישיים הפכו למודולריים בשנות ה-1980, החלוקה המודולרית של מיקרו-מערכות סיליקון, כפי שהודגמה על ידי שני העיצובים הללו ומאפשרת אריזת שבבים מתקדמת, מבשרת על שינוי טכנולוגי משמעותי. נכון שרבות מהיכולות המוצגות כאן עדיין אינן בהישג ידם של רוב הסטארט-אפים, אך אנו יכולים לדמיין שכאשר הטכנולוגיה תהפוך לנגישה יותר, היא תשחרר גל של חדשנות שילוב-אנד-מאץ'.