Сбогом дънни платки, здравей Si-IF структура: ревю

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.