Ponte Vecchio ของ Intel และ Zen 3 ของ AMD แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง

Intel และ AMD ได้หารือเกี่ยวกับการออกแบบชิปที่ล้ำหน้าที่สุดบางส่วนของพวกเขาที่งาน International Solid State Circuits Conference ในสัปดาห์นี้ และพวกเขาได้เน้นย้ำถึงบทบาทของบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงที่มีต่อผลิตภัณฑ์ชิประดับไฮเอนด์ในอนาคต ในทั้งสองกรณี ความสามารถด้านประสิทธิภาพใหม่ที่น่าประทับใจมาจากวิธีการแบบแยกส่วนซึ่งรวมหน่วยการสร้างที่ทำขึ้นที่โรงงานต่างๆ โดยใช้กระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลของบรรจุภัณฑ์ชิปในอนาคตของนวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ตลาดเป้าหมายของ Intel สำหรับ Ponte Vecchio เป็นโมดูลประสิทธิภาพสูงที่สร้างขึ้นในระบบศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ เป็นหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) และออกแบบมาสำหรับแอปพลิเคชันในปัญญาประดิษฐ์ การเรียนรู้ของเครื่อง และคอมพิวเตอร์กราฟิก ตั้งชื่อตามสะพานหินยุคกลางที่เชื่อม Piazza della Signoria ที่ด้านหนึ่งของแม่น้ำ Arno ในเมืองฟลอเรนซ์ ประเทศอิตาลี กับ Pallazzo Pitti อีกด้านหนึ่ง จุดเด่นอย่างหนึ่งของการออกแบบนี้คือการเชื่อมต่อชิปเล็ตเฉพาะทางจำนวนมาก - บล็อกการสร้างวงจรรวมที่ตั้งใจจะรวมกันเพื่อสร้างระบบที่สมบูรณ์

Ponte Vecchio ใช้ "กระเบื้อง" แปดแผ่นที่ผลิตขึ้นจากกระบวนการผลิตขั้นสูงสุดของ Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 5 นาโนเมตร แต่ละไทล์มีแปด “X^e” คอร์และแต่ละคอร์แปดคอร์ในทางกลับกันมีเวกเตอร์แปดตัวและเอ็นจิ้นเมทริกซ์เฉพาะแปดตัว กระเบื้องวางอยู่บน "แผ่นฐาน" ซึ่งเชื่อมต่อกับหน่วยความจำและโลกภายนอกด้วยผ้าสวิตช์ขนาดยักษ์ ไทล์พื้นฐานนี้สร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการ “Intel 7” ของบริษัท ซึ่งเป็นชื่อใหม่สำหรับกระบวนการผลิต SuperFin 10 นาโนเมตรของบริษัท นอกจากนี้ยังมีระบบหน่วยความจำประสิทธิภาพสูงที่เรียกว่า “RAMBO” ซึ่งย่อมาจาก Random Access Memory, Bandwidth Optimized ซึ่งสร้างขึ้นบนไทล์พื้นฐานโดยใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างกันของ Intel 7 Foveros มีการรวมหน่วยการสร้างอื่น ๆ จำนวนมากไว้ด้วย

การออกแบบ Ponte Vecchio เป็นกรณีศึกษาในการบูรณาการที่แตกต่างกัน โดยรวมกระเบื้องที่แตกต่างกัน 63 ชิ้น (47 ชิ้นที่ทำหน้าที่คำนวณและ 16 ชิ้นสำหรับการจัดการระบายความร้อน) ที่มีทรานซิสเตอร์ทั้งหมดมากกว่า 100 พันล้านตัวในแพ็คเกจเดียวที่มีขนาด 77.5 x 62.5 มม. (ประมาณ 3 x 2.5 นิ้ว) ไม่นานมานี้เองที่พลังประมวลผลจำนวนมากเต็มคลังสินค้าและต้องการการเชื่อมต่อของตัวเองกับกริดไฟฟ้า ความท้าทายทางวิศวกรรมในการออกแบบดังกล่าวมีมากมาย:

เชื่อมต่อทุกส่วน. นักออกแบบต้องการวิธีที่จะย้ายสัญญาณระหว่างชิปที่ต่างกันทั้งหมด ในสมัยก่อนสิ่งนี้ทำด้วยสายไฟหรือร่องรอยบนแผงวงจรพิมพ์และติดชิปด้วยการบัดกรีเข้ากับแผง แต่นั่นก็หมดแรงไปนานแล้ว เนื่องจากจำนวนสัญญาณและความเร็วเพิ่มขึ้น หากคุณรวมทุกอย่างไว้ในชิปตัวเดียว คุณสามารถเชื่อมต่อกับรอยโลหะที่ส่วนหลังของกระบวนการผลิตได้ หากคุณต้องการใช้ชิปหลายตัว นั่นหมายความว่าคุณต้องมีหมุดเชื่อมต่อจำนวนมาก และคุณต้องการให้ระยะการเชื่อมต่อสั้นลง Intel ใช้เทคโนโลยีสองอย่างเพื่อสนับสนุนสิ่งนี้ อย่างแรกคือ "สะพานเชื่อมต่อระหว่างแม่พิมพ์หลายตัวที่ฝัง" (EMIB) ซึ่งทำจากเศษซิลิคอนขนาดเล็กซึ่งสามารถให้การเชื่อมต่อได้ครั้งละหลายร้อยหรือหลายพันครั้ง และประการที่สองคือเทคโนโลยีการเรียงซ้อนแบบตายตัวต่อตายของ Foveros ก่อน ใช้ในโปรเซสเซอร์โมบายล์ Lakefield

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าทุกส่วนได้รับการซิงโครไนซ์ เมื่อคุณเชื่อมต่อชิ้นส่วนที่แตกต่างกันจำนวนมาก คุณต้องแน่ใจว่าชิ้นส่วนทั้งหมดสามารถพูดคุยกันได้แบบซิงโครไนซ์ ซึ่งมักจะหมายถึงการแจกจ่ายสัญญาณเวลาที่เรียกว่านาฬิกา เพื่อให้ชิปทั้งหมดสามารถทำงานแบบล็อกสเต็ปได้ เรื่องนี้ดูไม่เป็นเรื่องเล็กน้อย เนื่องจากสัญญาณมีแนวโน้มจะเบ้และสภาพแวดล้อมก็ดังมาก โดยมีสัญญาณมากมายที่สะท้อนไปรอบๆ ตัวอย่างเช่น ไทล์ประมวลผลแต่ละรายการ มีการเชื่อมต่อมากกว่า 7,000 รายการในพื้นที่ 40 ตารางมิลลิเมตร ดังนั้นจึงมีเรื่องที่ต้องซิงค์กันเป็นจำนวนมาก

การจัดการความร้อน. กระเบื้องโมดูลาร์แต่ละแผ่นต้องการพลังงานจำนวนมาก และการส่งมอบอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิวในขณะที่การขจัดความร้อนที่สร้างขึ้นนั้นเป็นความท้าทายอย่างมาก ชิปหน่วยความจำถูกซ้อนกันมาระยะหนึ่งแล้ว แต่ความร้อนที่สร้างขึ้นนั้นกระจายอย่างเท่าเทียมกัน ชิปโปรเซสเซอร์หรือไทล์ไทล์สามารถมีฮอตสปอตได้ขึ้นอยู่กับการใช้งานอย่างหนัก และการจัดการความร้อนในกองชิปสามมิตินั้นไม่ใช่เรื่องง่าย Intel ใช้กระบวนการเคลือบโลหะสำหรับด้านหลังของชิป และรวมสิ่งเหล่านี้เข้ากับตัวแผ่กระจายความร้อนเพื่อจัดการกับกำลังไฟ 3 วัตต์ที่คาดการณ์ไว้ซึ่งผลิตโดยระบบ Ponte Vecchio

ผลห้องปฏิบัติการเบื้องต้นที่ Intel รายงานรวมประสิทธิภาพ >45 Teraflops ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Aurora ที่สร้างขึ้นที่ Argonne National Laboratories จะใช้ Ponte Vecchios มากกว่า 54,000 ตัว พร้อมด้วยโปรเซสเซอร์ Xeon รุ่นต่อไปอีกกว่า 18,000 ตัว Aurora มีประสิทธิภาพสูงสุดตามเป้าหมายมากกว่า 2 Exaflops ซึ่งมากกว่าเครื่อง Teraflop 1,000 เท่า ย้อนกลับไปในช่วงกลางปี ​​1990 เมื่อฉันอยู่ในธุรกิจซูเปอร์คอมพิวเตอร์ เครื่อง Teraflop เครื่องหนึ่งเป็นโครงการวิทยาศาสตร์มูลค่า 100 ล้านเหรียญ

AMD's Zen 3

AMD พูดคุยเกี่ยวกับคอร์ไมโครโปรเซสเซอร์รุ่นที่สองของ Zen 3 ที่สร้างขึ้นบนกระบวนการ 7 นาโนเมตรของ TSMC คอร์ไมโครโปรเซสเซอร์นี้ออกแบบมาเพื่อใช้กับกลุ่มตลาดของ AMD ตั้งแต่อุปกรณ์พกพาที่ใช้พลังงานต่ำ คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป และทุกวิถีทางไปจนถึงเซิร์ฟเวอร์ศูนย์ข้อมูลที่ทรงพลังที่สุด หลักการสำคัญของกลยุทธ์นี้คือการบรรจุ Zen 3 core ด้วยฟังก์ชันการสนับสนุนเป็น "core complex" บนชิปเล็ตตัวเดียว ซึ่งทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบแบบโมดูลาร์เหมือนกับไทล์ของ Intel ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถรวมชิปเล็ตแปดตัวเข้าด้วยกันสำหรับเดสก์ท็อปหรือเซิร์ฟเวอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง หรือสี่ชิปเล็ตสำหรับระบบที่คุ้มค่า เช่น ระบบโฮมราคาถูกที่ฉันอาจซื้อ เอเอ็มดียังวางชิปในแนวตั้งโดยใช้สิ่งที่เรียกว่าทรูซิลิคอนไวแอส (TSV) ซึ่งเป็นวิธีเชื่อมต่อชิปหลายตัวที่วางทับกัน นอกจากนี้ยังสามารถรวมชิปเล็ตเหล่านี้สองถึงแปดชิ้นกับเซิร์ฟเวอร์ที่สร้างขึ้นบนกระบวนการ GlobalFoundries 12 nm เพื่อสร้าง 3^rd ชิปเซิร์ฟเวอร์ EPYC รุ่น

โอกาสที่ดีที่ไฮไลท์ของ Ponte Vecchio และ Zen 3 คือความสามารถในการผสมและจับคู่ชิปที่ทำขึ้นโดยใช้กระบวนการที่แตกต่างกัน ในกรณีของ Intel รวมถึงชิ้นส่วนที่ทำขึ้นเองและกระบวนการที่ล้ำหน้าที่สุดของ TSMC AMD สามารถรวมชิ้นส่วนจาก TSMC และ GlobalFoundries ข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ของการเชื่อมต่อชิปเล็ตหรือแผ่นกระเบื้องที่มีขนาดเล็กกว่าเข้าด้วยกัน แทนที่จะสร้างชิปขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวคือชิปที่เล็กกว่าจะให้ผลผลิตที่ดีกว่า ดังนั้นจึงมีต้นทุนที่ต่ำกว่า คุณยังสามารถผสมและจับคู่ชิปเล็ตใหม่กับชิปเก่าที่ผ่านการพิสูจน์แล้วซึ่งคุณรู้ว่าดีหรือผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการที่มีราคาไม่แพง

ทั้งการออกแบบของ AMD และ Intel นั้นเป็นเรื่องทางเทคนิค ทัวร์เดอฟอร์ซ. ไม่ต้องสงสัยเลยว่าพวกเขาเป็นตัวแทนของการทำงานหนักและการเรียนรู้ และแสดงถึงการลงทุนมหาศาลของทรัพยากร แต่เมื่อไอบีเอ็มเปิดตัวระบบย่อยแบบแยกส่วนในเมนเฟรม System/360 ในปี 1960 และคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลกลายเป็นโมดูลในปี 1980 การแบ่งพาร์ติชันแบบแยกส่วนของซิลิคอนไมโครซิสเต็มส์ตามตัวอย่างจากการออกแบบทั้งสองนี้ และเปิดใช้งานโดยบรรจุภัณฑ์ชิปขั้นสูงได้ประกาศถึงการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีที่สำคัญ ความสามารถมากมายที่แสดงที่นี่ยังห่างไกลจากการเริ่มต้นธุรกิจส่วนใหญ่ แต่เราสามารถจินตนาการได้ว่าเมื่อเทคโนโลยีสามารถเข้าถึงได้มากขึ้น มันจะปล่อยคลื่นของนวัตกรรมแบบผสมผสานและจับคู่