Сбогом дънни платки, здравей Si-IF структура: ревю

Оригиналът е на Puneet Gupta и Subramanian S. Iyer

11
8782

Необходимостта някои компютърни системи да бъдат направени колкото се може по-малки, а други – все по-големи и по-големи е една от основните движещи сили за възникването на иновации в електрониката. Първото се отнася за лаптопите, смартфоните, смарт часовниците и другите устройства за носене. Второто се отнася за съвременните комерсиални центрове за обработка на данните, които консумират мегавати електричество и заемат цели здания. Интересно е, че и в двата случая едно и също устройство ограничава прогреса и в двете области, въпреки че по различни причини.

Това устройство е печатната платка. Но днес вече се предлага едно съвсем ново решение: замяна на печатната платка със силициева пластина – същата пластина, от която се изготвят процесорите и редица други чипове. Тази стъпка ще доведе до създаването на изключително компактни IoT системи, както и невероятно мощни компютри, в които възможностите на десетина сървърни дънни платки се предлагат от силициева пластина с размер колкото неголяма чиния.

Тази нова технология се нарича силициева междукомпонентна структура (silicon-interconnect fabric, Si-IF), която дава възможност за включване и добавяне на „голи“ процесорни чипове към специални конектори върху силициевата повърхност. За разлика от пътечките на печатната платка, пътечките между чиповете на Si-IF са също толкова малки, колкото и пътечките в самите чипове. По този начин става възможно създаването на много голям брой връзки между чиповете, с помощта на които данните се обменят по-бързо, при това с използването на по-малко електрическа енергия.

Si-IF предлага и още един много приятен бонус. Тя е един отличен начин да забравим големите, сложни и трудни за производство системи върху чипа (SoC), които днес се използват навсякъде – от смартфоните до суперкомпютрите. Вместо SoC разработчиците могат да използват конгломерат от по-малки, по-лесни за проектиране и производство диелети (dielets) – процесорни кристали с входно изходни контакти, които са тясно свързани помежду си в рамките на Si-IF структурата. Тази революция в областта на чиповете вече върви с пълна сила – AMD, Intel, Nvidia и други компании вече започнаха да използват чиплети – малки обособени чипове, които работят на една и съща силициева подложка. Si-IF предлага разширение на тази технология чрез прехвърляне на всички компоненти от една дънна платка върху неголяма силициева пластина.

За да разберем какво означава да изхвърлим от компютърните системи дънните платки, а и печатните платки изобщо, нека да се спрем на една обикновена SoC. Благодарение на Закона на Мур, късче силиций с площ 1 квадратен сантиметър може да побере на практика всичко, което е нужно за управлението на един смартфон. За съжаление, поради редица причини, които започват и завършват с печатната платка, това късче силиций трябва да бъде поставено в полимерна опаковка, която често пъти е 20 пъти по-голяма от самия кристал.

Разликата в размерите на чипа и опаковката създава минимум две проблеми. Първо, обемът и теглото на този чип са много по-големи от силициевото кристалче. Очевидно е, че засега това е нерешим проблем за устройствата, които трябва да бъдат съвсем тънки и леки.

Второ, ако в дадено оборудване се използват няколко процесора или други чипове (което се използва в повечето сървърни системи), то разстоянието, което трябва да измине сигналът се увеличава над 10 пъти в сравнение с размерите на единия чип. Тези разстояния са тясно място по отношение на скоростта, особено ако чиповете обменят големи обеми от данни. Това е сериозен проблем за приложенията работещи с графика, при системите с използване на машинно обучение и други взискателни към обема данни приложения. И което е по-лошо, опакованите в специална пластмаса чипове са по-сложни за охлаждане – именно този проблем ограничава ръста на отделяната топлина на десктоп процесорите през последните десет години.

Но ако полимерното покритие на чиповете създава проблеми, защо просто не го махнем? Уви, пречи самата същност на печатна платка. Чиповете се запояват на нея с помощта на специален припой, който съединява изводите на чипа с пътечките на печатната платка. Но технологията за запояване си има своите ограничения – трябва да се отчитат възможните деформации при огъването и загряването на достатъчно гъвкавата текстолитната платка. Това е и причината, крачетата на интегралните схеми да са на разстояние не по-малко от 0,5 мм, а това означава не повече от 400 спойки на квадратен сантиметър.

Това е твърде малко за почти всички съвременни процесори. Така например, площта на кристала на Intel Atom е достатъчна само за 100 подобни крачета, а това е значително по-малко от необходимите 600. В крайна сметка специалистите започнаха да създават „сандвичи“: самият силициев кристал има собствени изводи на разстояние около 100 микрона – това дава възможност да се направят необходимите му стотици или хиляди изводи на съвсем малка междинна площадка. След това кристалът се запоява върху твърд и доста дебел слой текстолит, който не се деформира лесно, и вече на него се прокарват необходимите контакти по такъв начин, че те да бъдат на разстояние 0,5 мм един от друг. Този „сандвич“ вече може да бъде запоен (или поставен в сокета) на дънната платка.

Последно време в полупроводниковата индустрия все по-често започнаха да се използват чиплети. Типичен представител от този тип чипове е процесорът AMD Ryzen 3000, при който върху една и съща подложка са поставени процесорни кристали с ядра и кеш памет (чиплети) плюс контролер за входни изходните операции. Този подход сериозно понижава себестойността на производството.

Така че идеята за пълен отказ от печатните платки и използването на голи чипове, като вместо това да се използва достатъчно дебела (от 500 микрона до 1 мм) силициева пластина, изглежда интересно и привлекателно решение. Процесорите, паметта, чипсетите, различните регулатори, модулите за осигуряване на различно напрежение и дори пасивните компоненти – индуктивности и кондензатори, могат да бъдат разположени директно върху силиция.

В сравнение със стандартния за печатните платки материал – съчетание от стъклени влакна и епоксидна смола, силициевата пластина е твърда и може да бъде полирана до почти идеална плоскост и за нея деформацията повече няма да е проблем. Освен това, по този начин чиповете и силициевата подложка са направени от един и същ материал и те се разширяват съвсем еднакво при нагряване и за тяхното надеждно съединяване вече не е необходим припой.

За съединяването на чипа и пластината могат да бъдат използвани съвсем малки медни стълбчета с микронни размери, вградени в общата силициева подложка. Чрез използване на термичен натиск, който по принцип е точно прилагане на нагряване и сила, медните крачета на чиповете се запояват към медните стълбчета на силициевата пластина. Точната оптимизация на това съединение от типа мед към мед го прави много по-надеждно от спойките и изисква по-малко количество допълнителни материали.

Премахването на печатната платка и нейните слаби страни означава, че входно изходните изводи на чиповете могат да бъдат на разстояние 10 микрометра, вместо на предишните 500 микрометра. Тоест, на една и съща площ при новия подход е възможно да има 2500 извода повече.

Освен това могат да се използват стандартизираните процеси за производство на полупроводници за създаването на няколко слоя пътечки в Si-IF пластината. Както вече казахме, докато в печатната платка разстоянието между пътечките не може да бъде по-малко от 500 микрона, с използването на Si-IF то може да бъде едва 2 микрона. По този начин разстоянията между чиповете се намаляват от няколко милиметра до няколко стотици микрона. В крайна сметка една Si-IF компютърна система икономисва пространство и намалява времето, необходимо за преминаване на сигналите между чиповете.

Освен това, за разлика от печатните платки и полимерните покрития на чиповете, силицият е добър проводник на топлина. Радиаторите могат да бъдат поставени от двете страни на Si-IF пластината и да разсейват повече топлина. По този начин ефективността на охлаждането се повишава със 70%, като по този начин може да се увеличи температурния коефициент на чиповете и да се повиши тяхната производителност.

Разбира се, има и минуси в използването на тази нова технология. Първо, силицият е твърд и много устойчив на разтягане, но е крехък. През последните десетилетия полупроводниковата промишленост направи много в това отношение, но текстолитът все още е много по-гъвкав. Тоест Si-IF пластините ще трябва да бъдат закрепвани с помощта на специален демпфер, за да се избегне тяхното повреждане.

Вторият минус е цената на кристалния силиций, която е съществено по-висока от тази на текстолита. Въпреки че на това влияят много фактори, цената на 1 квадратен милиметър на 8-слойна печатна платка е около 1/10 от цената на 4-слойна Si-IF пластина. Но трябва да се отчита, че запояването на чиповете върху печатната платка съвсем не е безплатно, така че разликата е малко по-ниска.

Нека разгледаме няколко примера на това, по какъв начин Si-IF интеграцията може да бъде от полза за една компютърна система. В своето изследване авторите на тази статия показаха, че използването на процесор без покритие върху Si-IF пластина удвоява производителността поради по-високата скорост на връзките и по-доброто разсейване на топлината, Освен това, размерът на Si-IF устройството е 2,5 пъти по-малък – 400 квадратни сантиметра срещу 1000 при използването на традиционен текстолит. Те са направили и второ устройство с ARM процесор. В този случай използването на Si-IF не само намалява размерите с над 70%, но и намалява теглото от 20 на 8 грама.

Освен намаляването размерите и теглото на сега съществуващите системи, както и тяхната производителност, Si-IF дава възможност за създаването на компютри, които досега бяха невъзможни или крайно непрактични.

Типичната високопроизводителна сървърна дънна платка включва от два до четири процесора. Но нерядко в един сървър се използват няколко платки (понякога десетки). Между тях протича огромен обмен на данни и възникват проблеми с латентността и пропускателната способност на комуникационните канали. А какво би било, ако всичко се намира върху една силициева пластина? Те могат да бъдат интегрирани на нея почти така плътно, сякаш цялата компютърна система е един голям процесор.

Тази концепция за пръв път бе предложена от Джин Амдал и неговата компания Trilogy Systems. Уви, тя се провали, понеже днешните производствени процеси не могат да дадат достатъчен брой работещи системи от този тип. Когато се произвеждат чипове, винаги има вероятност от възникването на дефекти, ако вашия „чип“ е с размер на голяма чиния, то тази вероятност нараства до 99%!

Но в Si-IF могат да се използват чиплети, които се произвеждат лесно, и които след това могат да бъдат свързани в една обща система. Специалистите от Калифорния и Илинойс създадоха подобна чиплетна система, съставена от 40 графични процесора. При тестовете тя показа петкратно ускорение на изчисленията при 80% намаление на консумацията на енергия в сравнение със съвременен сървър, оборудва с 40 аналогични GPU.

Постигнатите резултати са много убедителни, но задачата не е от лесните. Трябва да се вземат под внимание редица ограничения – колко топлина трябва да бъде разсеяна от всеки кристал, как да се осигури най-бързия обмен на данни между процесорите и как да се осигури захранването на цялата Si-IF система.

Оказа се, че най-големият проблем е захранването. Ако се използва стандартното за GPU напрежение от 1 V, то цялата силициева пластина би консумирала цели 2 KW електричество. Вместо това, специалистите решиха да използват 12 V захранване и по този начин да намалят силата на тока и следователно да намалят консумираната мощност. Това решение изисква използването на редица стабилизатори на напрежение и кондензатори за формиране на цялото захранване. Само че тези компоненти заемат място. Но въодушевени от постигнатите резултати, специалистите заявиха, че ще представят инженерен образец на подобна Si-IF система през 2020 година.

Si-IF подходът дава възможност за осигуряването на голяма гъвкавост при създаването на компютърни системи. Може да се каже, че по този начин се образува не система върху чипа (SoC), а Si-IF система върху пластина (SoIF).

Тази система е съставена от няколко независими диелета, които са свързани един с друг с помощта на Si-IF. Минималното разстояние между диелетите е по-малко то стотина микрона и е сравнимо с разстоянието между два функционални блока в SoC. Пътечките в Si-IF са същите като при SoC, като по този начин и плътността на компонентите е сравнима.

Преимуществата на SoIF подхода в сравнение със SoC идва предимно от разликата в размера на кристалите. Малките диелети са по-лесни за произвеждане, в сравнение с големите SoC, понеже при производството на малки кристали почти няма брак. Единственото, което има значение при SoIF е самата силициева подложка, но с нея няма никакви проблеми, понеже това е обикновен къс силициев кристал с пътечки в него. Бракът в силициевите кристали възниква в слоя с транзисторите, а тук подобно нещо няма.

Но SoIF предлага редица преимущества, които полупроводниковата индустрия отдавна търси. Възможна е например лесната замяна на един диелет с друг, без да се променя общата структура на SoIF. А и в една SoIF система могат да бъдат поставени диелети произведени чрез различни технологични процеси, както дори и от различни полупроводникови материали. Нещо, което при системите върху чипа е невъзможно.


В крайна сметка SoIF изглежда като една съвсем вероятна бъдеща замяна на SoC, понеже плюсовете, които предлага, покриват усилията за решаване на проблемите по създаването на SoIF устройства. Напълно е възможно само след няколко години благодарение на SoIF да бъде осъществен огромен скок в производителността и Законът на Мур отново да започне да се изпълнява.

11
ДОБАВИ КОМЕНТАР

avatar
5 Коментари
6 Отговори на коментарите
0 Последователи
 
Коментарът с най-много реакции
Най-горещият коментар
  Абонирай се  
нови стари оценка
Извести ме за
Кольо
Кольо

Не „пластинките“ хубаво, ще се наредят на тях всичките чипове…Ама нали трябва да има интерфейси. Букси, в които да се включва подаването на електричество, извеждането на сигнала към монитори и други външни устройства. А тези букси върху какво ще се монтират, явно върху пластината не може. Трябва си стабилна и достатъчна по площ основа и така пак си опираме до нуждата от някакво шаси, а дънната платка, така или иначе, изпълнява и тази роля. На теория изглежда много добре и много захаросано, на практика не става. Еле пък, за да заместило възможностите на десетина сървърни дънни платки Абсурд! Целият този… Виж още »

дам
дам

Като идея – добре. Прав сте за входно-изходните интерфейси, но си мисля, че това не е проблем – интеграцията на компоненти в един кристал ще доведе до отпадане на десетки операции при производството на дънна платка. Та ако се реализира тази идея, физически ще имаме един капсулован елемент с охлаждане и конектори. Струва ми се, че в идеята има скрит замисъл – такава техника не подлежи на ремонт. В сегашен сървър можеш да замениш елементи – процесор, памет, дори и да ремонтираш платка (в някои случаи) – а, ако нещо се прецака в този All in One кристал, купуваш нова… Виж още »

Кольо
Кольо

Цената в никакъв случай няма да е малка, това са десетки и стотици квадратни сантиметра силиций. Дори само необработена силициева пластина струва камара пари, камо ли цената за проектирането, печенето на чиповете, печенето на субстрата(и интерпозерните връзки) на основата, присъединяването на чиповете върху субстрата. Ами R&D на всичките тези неща, който също ще е включен в цената. Освен това дефектирането и спирането на услугите към клиентите които обслужва, докато се подмени, ако предварително няма закупени на склад бройки за „мигновена“ подмяна. Тази щета за клиентите, може да е още по-висока за доставчика на услугите. Нещата трябва да се обмислят от… Виж още »

mor
mor

Водно охлаждане ще е достатъчно, при днешните чипове ако залепиш едно водно с температура на водата около 30 градуса ще получиш температура на чипа само няколко градуса повече при няколко стотин вата(ако е като при интел маджуна няма как да стане, jayztwocents беше направил луп с 4*480мм и 1080ti под пълен товар беше само 3-4 градуса над стайната температура), така че дори с по-голяма площ и по-голяма косумация ако водния блок го покрива и водата е добре охладена няма да има никакъв проблем, а при положение, че тези неща ще са доста скъпи в началото скъпо водно охлаждане няма да… Виж още »

Чип за зеле
Чип за зеле

Свършват добрите времена за хардуеристите. Скоро целият компютър ще е на един кристал.

Надблюдател
Надблюдател

То и сега могат да набутат и паметта и процесори и графични на чип – просто силициевата пластина е много а процесорните производители не искат да се занимават с памет която има много брак и от там брак с една такава чип система. То с новаста 5 нанометра а и с това че вече брака не е толкова много реално може да има – но това една преходна идея да се намали брака като се слагат само работещи чипове – което може да се окаже засега добре но по натам едва ли – овсен ако увеличат броя на изводите още… Виж още »

Чип за зеле
Чип за зеле

Аз по-скоро си представям платка колкото цигарена кутия – с 3-4 запоени чипа и само два външни интерфейса – USB и HDMI. Или техните наследници. Това ще са почти всички домашни и бизнес компютри. При наличието на DC/DC преобразуватели работещи на супер високи честоти, огромни кондензатори няма да са нужни. Освен ако не са суперкондензатори, заместващи Lithium-Ion батериите. Целият компютър ще се монтира в специален слот на монитора, който ще е най-скъпата част в цялата система. Игрови компютри и работните станции ще са изключения. Но колко хардуеристи могат да преживяват от тях?

Димитър
Димитър

Dell, вече обявиха пускането на AIO, в което целият компютър е с големина, колкото една видео карта. Инсталира се в стойката на монитора на принципна на plug & play. Процесора е SoC, има до 8GB РАМ и място за 1 диск. Интересното е и монитора, който е модулен…можете да го подменята според нуждите си.
Всичко това е вързано и комуникира през USB-C, което отговаря на колегата по-горе за интерефейсите. Според мен, съвсем не е далче момента, в който и захранване, мрежа и интерефейс ще минават по един конектор.
Честит празник на всички колеги!

MasterBlaster
MasterBlaster

Идеята не е много нова -има я поне от 10г когато – на тази база са SoC и чиплетите. Явно сега някой се чуди как да ползва старото оборудване останало от преминаването към 5-10nm процес. Да това ще компенсира загубите от преоборудването и ще създаде нова ниша но на практика ще затрудни и забави развитието на сектора. Представете си колко би струвал подобен модул? Какви трудности и предимства ще носи за клиента? ::Себестойност – в началото около 5-8 пъти цената на стандартна система, докато прираста в производителност няма да надвиши 3-5 пъти. Дори цената за няколко години да спадне до… Виж още »

Илиев И.
Илиев И.

Това което ни стобщават в по-горната научна статия за микроелектроника ще се превърне в реалност на пазара за изчислителна техника след около 10-15 години.
Слабото място на технологичният процес е ,че устройствата няма да подлежат на ремонт,поради минитюриазацията на компонентите,другия момент е ,че след дефектиране трябв да се замени с нов целия модул,което би значително оскъпило цените им.

Тони Стоянов
Тони Стоянов

„Bмecтo тoвa, cпeциaлиcтитe peшиxa дa изпoлзвaт 12 V зaxpaнвaнe и пo тoзи нaчин дa нaмaлят cилaтa нa тoĸa и cлeдoвaтeлнo дa нaмaлят ĸoнcyмиpaнaтa мoщнocт.“

Те ще намалят силата на тока (например за 2KW при 1V големината на тока ще бъде 2000А а при 12V – 167А), но консумираната мощност ще си остане 2КW. Дори би нараснала заради употребата на допълнителни регулатори на напрежението, които също ще консумират дадена мощност.