Ponte Vecchio Intel dan Zen 3 AMD Menunjukkan Janji Teknologi Pengemasan Semikonduktor Canggih

Intel dan AMD membahas beberapa desain chip tercanggih mereka di International Solid State Circuits Conference minggu ini, dan mereka menyoroti peran yang dimainkan pengemasan canggih dalam produk chip kelas atas masa depan mereka. Dalam kedua kasus tersebut, kemampuan kinerja baru yang mengesankan datang dari pendekatan modular yang menggabungkan blok bangunan yang dibuat di pabrik yang berbeda menggunakan proses manufaktur yang berbeda. Ini menggambarkan potensi besar kemasan chip di masa depan inovasi semikonduktor.

Target pasar Intel untuk Ponte Vecchio adalah sebagai modul berkinerja tinggi yang akan dibangun ke dalam sistem pusat data besar. Ini adalah unit pemrosesan grafis (GPU), dan dirancang untuk aplikasi dalam kecerdasan buatan, pembelajaran mesin, dan grafik komputer. Dinamai setelah jembatan batu abad pertengahan yang menghubungkan Piazza della Signoria di satu sisi Sungai Arno di Florence, Italia dengan Pallazzo Pitti di sisi lain. Salah satu yang menarik dari desainnya adalah bagaimana ia menghubungkan banyak chiplet khusus – blok bangunan sirkuit terpadu yang dimaksudkan untuk digabungkan untuk membuat sistem yang lengkap.

Ponte Vecchio menggunakan delapan "ubin" yang diproduksi pada proses 5 nm tercanggih Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Setiap ubin memiliki delapan "X"^e”, dan masing-masing dari delapan inti memiliki delapan vektor dan delapan mesin matriks khusus. Ubin ditempatkan di atas "ubin dasar", yang menghubungkannya ke memori dan dunia luar dengan kain sakelar raksasa. Ubin dasar ini dibuat menggunakan proses "Intel 7" perusahaan, yang merupakan nama baru untuk proses manufaktur SuperFin 10 nm yang disempurnakan perusahaan. Ada juga sistem memori kinerja tinggi yang disebut "RAMBO," yang merupakan singkatan dari Random Access Memory, Bandwidth Optimized, yang dibangun di atas ubin dasar menggunakan teknologi interkoneksi Intel 7 Foveros. Banyak blok bangunan lain yang tergabung juga.

Desain Ponte Vecchio adalah studi kasus dalam integrasi heterogen – menggabungkan 63 ubin berbeda (47 yang menjalankan fungsi komputasi dan 16 untuk manajemen termal) dengan total lebih dari 100 miliar transistor dalam satu paket yaitu 77.5 x 62.5 mm (perkiraan 3 x 2.5 inci). Belum lama berselang ketika daya komputasi sebanyak itu memenuhi gudang dan membutuhkan koneksinya sendiri ke jaringan listrik. Tantangan rekayasa dalam desain seperti itu berlimpah:

Menghubungkan semua bagian. Desainer membutuhkan cara untuk memindahkan sinyal di antara semua chip yang berbeda. Di masa lalu, ini dilakukan dengan kabel atau jejak pada papan sirkuit tercetak, dan chip dipasang dengan menyoldernya ke papan. Tapi itu kehabisan tenaga sejak lama, karena jumlah sinyal dan kecepatannya meningkat. Jika Anda memasukkan semuanya ke dalam satu chip, Anda dapat menghubungkannya dengan jejak logam di bagian belakang proses pembuatan. Jika Anda ingin menggunakan banyak chip, itu berarti Anda membutuhkan banyak pin penghubung, dan Anda ingin jarak penghubung menjadi pendek. Intel menggunakan dua teknologi untuk mendukung ini. Yang pertama adalah “jembatan interkoneksi multi-die tertanam” (EMIB) yang terbuat dari sepotong kecil silikon yang dapat menyediakan ratusan atau ribuan koneksi sekaligus, dan yang kedua adalah teknologi penumpukan mati-ke-mati Foveros yang pertama. digunakan dalam prosesor seluler Lakefield-nya.

Memastikan semua bagian disinkronkan. Setelah Anda menghubungkan banyak bagian yang berbeda, Anda perlu memastikan bahwa semua bagian dapat berbicara satu sama lain secara sinkron. Ini biasanya berarti mendistribusikan sinyal waktu yang dikenal sebagai jam, sehingga semua chip dapat bekerja secara berurutan. Ini ternyata tidak sepele, karena sinyal cenderung miring dan lingkungan sangat bising, dengan banyak sinyal yang memantul. Setiap ubin komputasi, misalnya, memiliki lebih dari 7,000 koneksi dalam ruang seluas 40 milimeter persegi, sehingga banyak yang harus disinkronkan.

Mengelola panas. Ubin modular masing-masing membutuhkan banyak daya, dan mengirimkannya secara merata ke seluruh permukaan sambil menghilangkan panas yang dihasilkan merupakan tantangan besar. Chip memori telah ditumpuk selama beberapa waktu, tetapi panas yang dihasilkan didistribusikan secara merata. Chip atau ubin prosesor dapat memiliki titik panas tergantung pada seberapa sering digunakan, dan mengelola panas dalam tumpukan chip 3D tidaklah mudah. Intel menggunakan proses metalisasi untuk sisi belakang chip, dan mengintegrasikannya dengan penyebar panas untuk menangani proyeksi 600 watt yang dihasilkan oleh sistem Ponte Vecchio.

Hasil lab awal yang dilaporkan Intel mencakup kinerja >45 Teraflops. Superkomputer Aurora yang sedang dibangun di Argonne National Laboratories akan menggunakan lebih dari 54,000 Ponte Vecchios bersama dengan lebih dari 18,000 prosesor Xeon generasi berikutnya. Aurora memiliki kinerja puncak yang ditargetkan lebih dari 2 Exaflops, yang 1,000 kali lebih banyak dari mesin Teraflop. Kembali pada pertengahan 1990-an ketika saya berada di bisnis superkomputer, satu mesin Teraflop adalah proyek sains senilai $100 juta.

AMD Zen 3

AMD berbicara tentang inti mikroprosesor generasi kedua Zen 3 yang dibangun di atas proses 7 nm TSMC. Inti mikroprosesor ini dirancang untuk digunakan di seluruh segmen pasar AMD, mulai dari perangkat seluler berdaya rendah, komputer desktop, dan sampai ke server pusat data yang paling kuat. Prinsip utama dari strategi ini adalah mengemas inti Zen 3-nya dengan fungsi pendukung sebagai "kompleks inti" pada satu chiplet, yang berfungsi sebagai blok bangunan modular seperti ubin Intel. Dengan demikian mereka dapat mengemas delapan chiplet bersama-sama untuk desktop atau server berkinerja tinggi, atau empat chiplet untuk sistem nilai, seperti sistem rumah murah yang mungkin saya beli. AMD juga menumpuk chip secara vertikal dengan menggunakan apa yang disebut through-silicon vias (TSVs), cara menghubungkan beberapa chip yang ditempatkan di atas satu sama lain. Itu juga dapat menggabungkan dua hingga delapan chiplet ini dengan server mati yang dibuat pada proses 12 nm GlobalFoundries untuk menjadikannya 3^rd generasi chip server EPYC.

Peluang besar yang ditonjolkan Ponte Vecchio dan Zen 3 adalah kemampuan untuk memadupadankan chip yang dibuat menggunakan proses yang berbeda. Dalam kasus Intel, ini termasuk bagian-bagian yang dibuat sendiri maupun proses TSMC yang paling canggih. AMD dapat menggabungkan bagian-bagian dari TSMC dan GlobalFoundries. Keuntungan besar dari menghubungkan chiplet atau ubin yang lebih kecil bersama-sama daripada hanya membangun satu chip besar adalah bahwa chip yang lebih kecil akan memiliki hasil produksi yang lebih baik dan oleh karena itu lebih murah. Anda juga dapat memadupadankan chiplet baru dengan chiplet lama yang terbukti bagus, atau dibuat dengan proses yang lebih murah.

Baik desain AMD dan Intel bersifat teknis tur de force. Tidak diragukan lagi mereka mewakili banyak kerja keras dan pembelajaran, dan mewakili investasi sumber daya yang sangat besar. Tetapi sama seperti IBM memperkenalkan subsistem modular dalam sistem mainframenya/360 pada 1960-an, dan komputer pribadi menjadi modular pada 1980-an, partisi modular dari mikrosistem silikon seperti yang dicontohkan oleh dua desain ini dan diaktifkan oleh pengemasan chip canggih menandai perubahan teknologi yang signifikan. Memang banyak kemampuan yang ditampilkan di sini masih di luar jangkauan sebagian besar perusahaan rintisan, tetapi kita dapat membayangkan bahwa ketika teknologi menjadi lebih mudah diakses, itu akan melepaskan gelombang inovasi campuran-dan-cocok.