Какво представляват чиплетите и защо са толкова важни за бъдещето на процесорите?

Макар, че чиплетите съществуват от десетилетия, тяхната употреба в миналото е била ограничена до специфични, специализирани приложения. Днес обаче те са в челните редици на технологиите и захранват милиони настолни и преносими компютри, работни станции, сървъри, гейминг конзоли, телефони и дори носими устройства по целия свят.

В рамките на няколко години повечето водещи производители на чипове възприеха технологията на чиплетите, за да стимулират иновациите. Вече е ясно, че чиплетите са на път да се превърнат в индустриален стандарт. Нека да проучим какво ги прави толкова значими и как те оформят бъдещето на технологиите.

Какво представляват чиплетите?

Чиплетите са сегментирани процесори. Вместо всяка част да се консолидира в един чип (известен като монолитен подход), определени секции се произвеждат като отделни чипове. След това тези отделни чипове се монтират заедно в един пакет, като се използва сложна система за свързване.

Тази подредба позволява частите, които могат да се възползват от най-новите методи за производство да бъдат намалени по размер, което подобрява ефективността на процеса и позволява да се вместят в повече компоненти. Частите на чипа, които не могат да бъдат значително намалени или не се нуждаят от намаляване, могат да се произвеждат по по-стари и по-икономични методи.

Въпреки, че процесът на производство на такива процесори е сложен, общата цена обикновено е по-ниска. Освен това тя предлага на компаниите, произвеждащи процесори по-управляем път за разширяване на продуктовата им гама.

Силициева наука

За да разберете напълно защо производителите на процесори се насочиха към чиплетите, първо трябва да разберете как се произвеждат те. Процесорите и графичните процесори започват живота си като големи дискове, изработени от свръхчист силиций, обикновено с диаметър малко под 12 инча (300 мм) и дебелина 0,04 инча (1 мм).

Тази силициева пластина преминава през поредица от сложни стъпки, в резултат на които се получават множество слоеве от различни материали – изолатори, диелектрици и метали. Моделите на тези слоеве се създават чрез процес, наречен фотолитография, при който ултравиолетова светлина се подава през увеличена версия на модела (маска) и впоследствие се свива чрез лещи до необходимия размер.

Моделът се повтаря на определени интервали по повърхността на пластината и всеки от тях в крайна сметка се превръща в процесор. Тъй като чиповете са правоъгълни, а пластините са кръгли, шаблоните трябва да се припокриват с периметъра на диска. Тези припокриващи се части в крайна сметка се изхвърлят, тъй като са нефункционални.

След като бъде завършена, пластината се тества с помощта на сонда, приложена към всеки чип. Резултатите от електрическото изследване информират инженерите за качеството на процесора по дълъг списък от критерии. Този първоначален етап, известен като „бининг на чиповете“, помага да се определи „класът“ на процесора.

Например, ако чипът е предназначен за централен процесор, всяка част трябва да функционира правилно, като работи в определен диапазон от тактови честоти при определено напрежение. След това всяка част от пластината се категоризира въз основа на тези резултати от тестовете.

След приключване на работата, пластината се нарязва на отделни части или „матрици“, които са годни за употреба. След това тези матрици се монтират върху субстрат, подобен на специализирана дънна платка. Процесорът се подлага на допълнително опаковане (например с топлинен разпределител), преди да бъде готов за разпространение.

Цялата поредица може да отнеме седмици производство, а компании като TSMC и Samsung начисляват високи такси за всяка пластина – между 3000 и 20 000 долара в зависимост от използвания технологичен възел.

„Технологичен възел“ е терминът, използван за описание на цялата система за производство. В миналото те са били наричани по дължината на гейта на транзистора. С усъвършенстването на производствените технологии и създаването на все по-малки компоненти обаче номенклатурата вече не следваше никакъв физически аспект на матрицата и сега тя е просто маркетингов инструмент.

Независимо от това всеки нов технологичен възел носи предимства пред своя предшественик. Той може да е по-евтин за производство, да консумира по-малко енергия при същата тактова честота (или обратното), или да има по-висока плътност. Последният показател измерва колко компоненти могат да се поберат в дадена площ на матрицата. На графиката по-долу можете да видите как се е развил този показател през годините за графичните процесори (най-големите и сложни чипове, които можете да намерите в компютъра си):

Подобренията в технологичните възли дават възможност на инженерите да увеличат възможностите и производителността на своите продукти, без да се налага да използват големи и скъпи чипове. Горната графика обаче разказва само част от историята, тъй като не всеки аспект на процесора може да се възползва от тези постижения.

Схемите в чиповете могат да бъдат разпределени в една от следните широки категории:

• Логика – обработва данни, математически изчисления и вземане на решения;
• Памет – обикновено SRAM, която съхранява данни за логиката;
• Аналог – вериги, които управляват сигналите между чипа и други устройства;

За съжаление, докато логическите схеми продължават да се свиват с всяка голяма стъпка напред в технологията на технологичните възли, аналоговите схеми почти не са се променили, а SRAM също започва да достига границата си.

Въпреки, че логиката все още представлява най-голямата част от матрицата, през последните години количеството SRAM в съвременните CPU и GPU значително нарасна. Например, чипът Vega 20 на AMD, използван във видеокартата Radeon VII на AMD от 2019 година разполага с общо 5 MB L1 и L2 кеш. Само две поколения по-късно, чипът Navi 21, захранващ серията Radeon RX 6000 (2020 година) включва над 130 MB комбиниран кеш – забележително 25-кратно увеличение.

Можем да очакваме, че те кеш паметта ще продължи да се увеличава с разработването на нови поколения процесори, но тъй като паметта не се мащабира толкова добре, колкото логиката, производството на всички схеми в един и същи технологичен възел ще става все по-малко рентабилно.

В един идеален свят човек би проектирал матрица, в която аналоговите части се произвеждат на най-големия и най-евтин възел, SRAM частите – на много по-малък, а логиката е запазена за абсолютно най-съвременната технология. За съжаление, това не е практически постижимо. Съществува обаче алтернативен подход.

Разделяй и владей

През 1995 година Intel представи Pentium II, наследник на оригиналния си процесор P5. Това, което го отличаваше от другите процесори по онова време беше дизайнът, скрит под пластмасовия му „щит“: печатна платка, в която се намират два чипа. Основният чип съдържаше цялата логика за обработка и аналоговите системи, докато един или два отделни SRAM модула служеха за кеш от второ ниво.

Докато Intel произвеждаше основния чип, кеш паметта се доставяше от външни доставчици. Този подход стана сравнително стандартен за настолните компютри в средата и края на 90-те години на миналия век, докато напредъкът в производството на полупроводници не позволи логиката, паметта и аналоговите системи да бъдат напълно интегрирани в една матрица.

Макар, че Intel продължи с подхода с множество чипове в една и съща опаковка, тя до голяма степен се придържаше към т.нар. монолитен подход за процесори – т.е. един чип за всичко. За повечето процесори нямаше нужда от повече от една матрица, тъй като производствените техники бяха достатъчно усъвършенствани (и достъпни), за да се поддържат прости.

Други компании обаче бяха по-заинтересовани да следват многочиповия подход, най-вече IBM. През 2004 година беше възможно да се закупи 8-чипова версия на сървърния процесор POWER4, която се състоеше от четири процесора и четири кеш модула, монтирани в едно и също тяло (известен като многочипов модул или MCM подход).

Приблизително по това време започва да се появява терминът „хетерогенна интеграция“, което отчасти се дължи на изследователската работа, извършена от DARPA. Целта на хетерогенната интеграция е да се отделят различните части на една изчислителна система, да се изработят поотделно на възли, които са най-подходящи за всяка от тях и след това да се обединят в един пакет.

Днес това е по-известно като система в пакет (SiP) и е стандартният метод за оборудване на смарт часовници с чипове от самото им създаване. Например, Apple Watch Series 1 съдържа процесор, DRAM и NAND флаш памет, множество контролери и други компоненти в рамките на една структура.

Подобна конфигурация може да се постигне като различните системи са разположени на една-единствена матрица (известна като SoC или система върху чип). Този подход обаче не позволява да се използват предимствата на различните цени на възлите, нито пък всеки компонент може да бъде произведен по този начин.

За един доставчик на технологии използването на хетерогенна интеграция за нишов продукт е едно, но използването ѝ за по-голямата част от портфолиото му е нещо друго. Точно това направи AMD със своята гама процесори. През 2017 година гигантът в областта на полупроводниците представи своята архитектура Zen с пускането на пазара на настолния процесор Ryzen с една матрица. Само няколко месеца по-късно AMD дебютира с две многочипови продуктови линии: Threadripper и EPYC, като последната включваше конфигурации с до четири матрици.

С пускането на Zen 2 две години по-късно, AMD напълно възприе HI, MCM, SiP – наречете го както искате. Компанията премести по-голямата част от аналоговите системи извън процесора и ги постави в отделна матрица. Те се произвеждаха на по-прост и по-евтин технологичен възел, докато за останалата логика и кеш се използваше по-усъвършенстван.

И така, чиплети се превърна в модерна дума.

По-малкото е по-добро

За да разберем защо точно AMD избра тази посока, нека разгледаме изображението по-долу. На него са показани два по-стари процесора от серията Ryzen 5 – 2600 вляво, използващ т.нар. архитектура Zen+, и 3600 вдясно, задвижван от Zen 2.

Топлоразпределителите и на двата модела са премахнати, а снимките са направени с помощта на инфрачервена камера. В единичната матрица на 2600 са разположени осем ядра, въпреки че две от тях са изключени за този конкретен модел.

Такъв е случаят и с 3600, но тук виждаме, че в пакета има две матрици – Core Complex Die (CCD) в горната част, в която се намират ядрата и кеш паметта, и Input/Output Die (IOD) в долната част, съдържаща всички контролери (за памет, PCI Express, USB и други) и физически интерфейси.

Тъй като и двата процесора Ryzen се поставят в един и същ цокъл на дънната платка, двете изображения са в мащаб. На пръв поглед може да изглежда, че двете матрици в 3600 имат по-голяма обща площ от единичния чип в 2600, но външният вид може да бъде лъжлив.

Ако сравним директно чиповете, съдържащи ядрата, става ясно колко много място в по-стария модел е заето от аналогови схеми – това са всички синьо-зелени цветове, обграждащи ядрата и кеша със златист цвят. В CCD Zen 2 обаче много малка част от площта на матрицата е отделена за аналогови системи; тя е почти изцяло съставена от логика и SRAM.

Чипът Zen+ е с площ 213 mm² и е произведен от GlobalFoundries, като е използван 12 nm технологичен възел. За Zen 2 AMD запази услугите на GlobalFoundries за 125 mm² IOD, но използва по-добрия възел N7 на TSMC за 73 mm² CCD.

Комбинираната площ на чиповете в по-новия модел е по-малка, а освен това разполага с два пъти по-голям L3 кеш, който поддържа по-бърза памет и PCI Express. Най-добрата част от подхода с чиповете обаче е, че компактният размер на CCD дава възможност на AMD да постави още един в пакета. Тази разработка даде началото на серията Ryzen 9, предлагаща 12 и 16-ядрени модели за настолни компютри.

Още по-хубаво е, че чрез използването на два по-малки чипа вместо един голям, от всяка пластинка потенциално могат да се получат повече матрици. В случая със Zen 2 CCD една 12-инчова (300 милиметрова) пластина може да произведе до 85% повече матрици, отколкото за модела Zen+.

Колкото по-малък е участъкът от една пластина, толкова по-малка е вероятността да се открият производствени дефекти (тъй като те обикновено са случайно разпределени по диска), така че като се вземе предвид всичко това, подходът на чиплетите не само дава възможност на AMD да разшири портфолиото си, но и го прави много по-рентабилно – едни и същи CCD могат да се използват в няколко модела и всяка пластина произвежда стотици от тях.

Но ако този избор на дизайн е толкова изгоден, защо Intel не го прави? Защо не го виждаме да се използва в други процесори, като например графичните процесори?

Следване на лидерството

За да отговорим на първия въпрос, Intel също постепенно възприема технологията на чиплетите. Първата архитектура на потребителските процесори, в която се използват чиплети се нарича Meteor Lake. Подходът на Intel обаче е донякъде уникален, така че нека да проучим как се различава от този на AMD.

Използвайки термина „плочки“ вместо чиплети, това поколение процесори разделя предишния монолитен дизайн на четири отделни чипа:

• Изчислителна плочка: Съдържа всички ядра и L2 кеш
• GFX плочка: Съдържа вградения графичен процесор
• SoC плочка: Съдържа L3 кеш, PCI Express и други контролери
• IO плочка: съдържа физическите интерфейси за паметта и други устройства

Високоскоростни връзки с ниска латентност има между SoC и другите три плочки, като всички те са свързани с друга плочка, известна като интерпозер. Този междинен модул осигурява захранване на всеки чип и съдържа трасетата между тях. След това интерпозерът и четирите плочки се монтират на допълнителна платка, за да може целият комплект да бъде опакован.

За разлика от Intel, AMD не използва специална монтажна матрица, а има своя собствена уникална система за свързване, известна като Infinity Fabric, за обработка на транзакциите с данни на чиповете. Захранването се осъществява чрез доста стандартен пакет, а AMD използва и по-малко чиплети. Но защо дизайнът на Intel е такъв?

Едно от предизвикателствата при подхода на AMD е, че той не е много подходящ за ултрамобилния сектор с ниска консумация на енергия. Ето защо AMD все още използва монолитни процесори за този сегмент. Дизайнът на Intel позволява да се смесват и съчетават различни плочки, за да отговарят на конкретна нужда. Например, бюджетните модели за достъпни лаптопи могат да използват навсякъде много по-малки плочки, докато AMD има само един размер чиплет за всяка цел.

Недостатъкът на системата на Intel е, че тя е сложна и скъпа за производство (което води до различни проблеми). И двете компании обаче са напълно отдадени на концепцията за чиплета. След като всяка част от производствената верига бъде разработена около нея, разходите би трябвало да намалеят.

Когато става въпрос за графични процесори, те съдържат сравнително малко аналогови схеми в сравнение с останалата част от матрицата. Въпреки това обемът на SRAM паметта в тях непрекъснато се увеличава. Тази тенденция подтикна AMD да използва опита си в областта на чиплетите в серията Radeon 7000, като графичните процесори Radeon RX 7900 се отличават с дизайн с няколко матрици. Тези графични процесори включват една голяма матрица за ядрата и L2 кеша, заедно с 5 или 6 по-малки матрици, всяка от които съдържа L3 кеш и контролер на паметта.

Чрез преместването на тези компоненти извън основната матрица инженерите успяха да увеличат значително количеството логика, без да разчитат на най-новите и скъпи технологични възли, за да запазят размерите на чиповете управляеми. Въпреки че това нововъведение вероятно е помогнало за намаляване на общите разходи, то не е разширило значително обхвата на графичното портфолио на AMD.

Понастоящем потребителските графични процесори на Nvidia и Intel не показват признаци за възприемане на подхода на AMD към чиплетите. И двете компании разчитат на TSMC за всички производствени задължения и изглежда са доволни да произвеждат изключително големи чипове, като прехвърлят разходите върху потребителите.

Въпреки това е известно, че и двете компании активно проучват и внедряват чиплет-базирани архитектури в някои от своите проекти на графични процесори. Например, графичните процесори за центрове за данни Blackwell на Nvidia използват чиплетна конструкция, включваща две големи матрици, свързани чрез високоскоростна връзка с капацитет 10 терабайта (TB) в секунда, които ефективно функционират като един графичен процесор.

Без значение кога ще се случат тези промени, основната истина е, че те трябва да се случат. Въпреки огромния технологичен напредък в производството на полупроводници, съществува определена граница за това колко може да се свие всеки компонент.

За да продължат да увеличават производителността на чиповете, инженерите имат два пътя – да добавят повече логика с необходимата памет за нейното поддържане и да увеличат вътрешните тактови честоти. Що се отнася до последното, средностатистическият процесор не се е променял значително в този аспект от години. Процесорът FX-9590 на AMD от 2013 година можеше да достигне 5 GHz при определени работни натоварвания, докато най-високата тактова честота в настоящите модели е 5,7 GHz (при Ryzen 9 9950X).

Потребителският процесор на Intel с най-висока тактова честота е Core i9-14900KS с максимална турбо честота от 6,2 GHz на две ядра. Този процесор от „специално издание“ държи рекорда за най-бърза тактова честота след изваждане от кутията сред настолните процесори.

Това, което се е променило, обаче, е количеството на схемите и паметта SRAM. Споменатият по-горе AMD FX-9590 имаше 8 ядра (и 8 нишки) и 8 MB L3 кеш, докато 9950X може да се похвали с 16 ядра, 32 нишки и 64 MB L3 кеш. Процесорите на Intel също така са се разширили по отношение на ядрата и SRAM паметта.

Първият унифициран шейдърен графичен процесор на Nvidia, G80 от 2006 година се състоеше от 681 милиона транзистора, 128 ядра и 96 kB L2 кеш в чип с площ 484 mm2. Бързо напред до 2022 година, когато беше пуснат AD102 – той съдържа 76,3 милиарда транзистора, 18 432 ядра и 98 304 kB L2 кеш в рамките на 608 mm2 площ на чипа.

През 1965 година съоснователят на Fairchild Semiconductor Гордън Мур забелязва, че в първите години на производството на чипове плътността на компонентите в матрицата се удвоява всяка година при фиксирани минимални производствени разходи. Това наблюдение става известно като Закона на Мур и по-късно е интерпретирано като „броят на транзисторите в един чип се удвоява на всеки две години“ въз основа на производствените тенденции.

Законът на Мур служи за сравнително точно представяне на напредъка на полупроводниковата индустрия в продължение на почти шест десетилетия.

Огромното увеличение на логиката и паметта в процесорите до голяма степен се дължи на непрекъснатото усъвършенстване на технологичните възли, като с течение на времето компонентите стават все по-малки. Тази тенденция обаче не може да продължи вечно, независимо от това какви нови технологии се появяват.

Вместо да чакат тези физически граници да бъдат достигнати, компании като AMD и Intel прегърнаха технологията на чиплетите, като проучват иновативни начини за комбиниране на тези модулни компоненти, за да поддържат създаването на все по-мощни процесори. Доминацията на чиплетите едва сега започва.