Развитие экосистемы чиплетов

Развитие экосистемы чиплетов

Выпуск 14(6688) от 18 июля 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Продолжает развиваться тенденция объединения заинтересованных фирм в открытую экосистему чиплетов. Этот подход позволяет осуществлять гетерогенную интеграцию чиплетов различных поставщиков в «систему-в-модуле» (system-in-package, SiP). С одной стороны, ряд производителей ИС добился определенных успехов в создании собственных экосистем чиплетов. С другой стороны, фирмы, ориентирующиеся на создание открытой экосистемы чиплетов, предпочитают делать упор на создание собственных (патентованных) многокристальных интерфейсов.

Чиплеты представляют собой одну из попыток компенсировать замедление прироста производительности ИС, обу­словленное «лобовым» применением масштабирования (т. е. замедление действия т. н. закона Мура). В то время как отдельные производители ИС, включая Intel, Marvell и стартап zGlue, а также производители системных решений наподобие Cisco Systems добились определенных успехов в создании многокристальных решений на основе собственных интерфейсов, проявляется и другой подход: создание открытой экосистемы чиплетов, обеспечивающей гетерогенную интеграцию типа «система-в-корпусе».

Развитие общеотраслевой открытой экосистемы чиплетов позволит проектировщикам конструировать лучшие в сво­ем роде кристаллы ИС, содержащие компоненты различных поставщиков. Для реализации этого подхода необходимы не только стандартные открытые интерфейсы, но и технологические достижения в таких областях, как тестирование пластин, управление тепловым режимом и создание новых бизнес-моделей.

Недавно прошло второе рабочее заседание Группы по открытым предметно-ориентированным архитектурам (Open Domain-Specific Architecture, ODSA). Сейчас группе насчитывается около 70 фирм-членов, задача которых – определение открытого интерфейса для проектирования на основе чиплетов и создание рынка стекируемых, интероперабельных чиплетов. Работа ODSA осуществляется в рамках проекта открытых вычислений (Open Compute Project). По мнению специалистов корпорации Intel, потребность в чиплетах обусловлена появлением новых рабочих нагрузок в сочетании с достижениями в сфере архитектур и технологий проектирования.

Также на заседании говорилось о том, что мировая полупроводниковая промышленность достигла точки перелома – появилась возможность продолжать масштабирование модулей за счет инноваций в области чиплетов.

Год назад корпорация Intel представила протокол AIB для модулей типа EMIB в качестве части совместных работ в области чиплетов с Управлением перспективных исследовательских проектов МО США (DARPA). На семинаре ODSA корпорация Intel представила новую версию интерфейса протокола физического уровня (5.2 PHY Interface) для PCI Express (PIPE), которая была описана как конфигурируемая быстродоступная версия PHY.

Между тем группа ODSA продолжает работать над продвижением собственного открытого интерфейса физического уровня (bunch-of-wires, BOW), активно вербуя сторонников из числа кремниевых заводов и разработчиков чиплетов, с тем чтобы установить BOW-интерфейс в качестве отраслевого стандарта. Это позволит сделать описания физического уровня общедоступными, хранящимися в машиночитаемой форме с использованием формата обмена данными, разработанного фирмой zGlue.

Идея BOW состоит в том, чтобы обеспечить общий и простой параллельный интерфейс, работающий с относительно низкой скоростью передачи данных, с тем чтобы кристаллы, реализованные по относительно зрелым технологиям, могли быть интегрированы в радиочастотные «системы-в-корпусе». Общее сопоставление монолитного и чиплет-подходов приводится на рис. 1.



Источник: ODSA

Рисунок 1. Сопоставление монолитного и чиплет-подходов


Несмотря на болезни роста новой технологии, ODSA сумела добиться определенного прогресса в деле развития открытой чиплет-экосистемы. По мере формулирования стандартов, спецификаций и создания инструментальных средств скорость прогресса будет расти и, по всей видимости, в течение трех-пяти лет ситуация изменится – конструкции на основе чиплетов станут правилом, а не исключением.

Экономию средств за счет использования чиплетов можно проследить на примере планируемых в скором времени к выпуску центральных процессоров Epyc корпорации AMD. В этих ЦП содержится до восьми 7-нм кристаллов, соединенных многовходовой системой коммутации с одним 14-нм кристаллом ввода–вывода с контроллером памяти. Данный подход представляет собой дальнейшее развитие 14-нм схемы Epyc, в которой в одном модуле располагалось четыре кристалла.

Специалисты корпорации AMD отметили, что для них чиплеты стали реальностью. Они смогли добиться разнородной интеграции различных компонентов в одном модуле – при этом топологические нормы используемых компонентов также различаются.

Хотя концепция открытой экосистемы чиплетов и развивается, у нее есть и противники, и технические проблемы. С технической точки зрения существуют вопросы с тестированием – особенно в том, что касается возможности получения кристалла гарантированного качества до начала процесса корпусирования. Второй серьезный вопрос связан с тепловыми проблемами, обусловленными потребляемой мощностью, плотностью мощности и тепловыми перекрестными помехами.

С точки зрения используемой бизнес-модели также существуют проблемы. В настоящее время в полупроводниковой промышленности действуют несколько видов бизнес-моделей, связанных с компонентами уровня платы, а также с монолитными «системами-на-кристалле» (SoC). Разработчики только начинают осознавать, какие бизнес-модели необходимы при интеграции ИС различных производителей. Например, кто ставит бренд на «систему-в-корпусе»? Кто ее продает? И, наконец, кто несет потенциальную ответственность в случае возникновения проблем безопасности?

Еще один вопрос, возникший на дискуссии, касался прибыли. Если какая-то фирма намерена сделать прибор, лучший в своей области, используя кристаллы нескольких поставщиков, можно с уверенностью предположить, что каждый из этих поставщиков попытается получить как можно больший маржинальный доход. Наложение друг на друга стремлений этих фирм может привести к тому, что конечный продукт окажется непомерно дорогим.

Все это серьезные вопросы, которые необходимо решать – по всей видимости, посредством разработки соответствующих стандартов и спецификаций.

Как ожидается, в обозримом будущем большая часть ИС будет производиться методом перевернутого кристалла, правда, темпы прироста продаж этих схем за период 2016–2022 гг. составят всего 6%. В то же время наибольшие темпы прироста за указанный период будут наблюдаться по технологии на уровне пластины с разветвлением (FOWLP), а также по методикам 2,5D–3D-корпусирования (рис. 2).



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Тенденции корпусирования по типам технологий


В основу спецификации PIPE легла конструкция, которая в свое время развилась до серии процессоров Intel Core. Процессоры этой серии оснащены интегрированными графическими ядрами AMD Radeon, в которых для соединения нескольких чиплетов, изготовленных по технологиям с различными топологическими нормами, используются межсоединения как PCI Express, так и EMIB.

Для процессоров Kaby Lake разработчики Intel хотели использовать шину PCI Express с целью подключения центрального процессора к графическому процессору Radeon. Однако PCI Express предназначена для передачи сигналов на большие расстояния с высоким быстродействием. Соответственно, для размещения внутри модуля ее мощность была бы избыточной. Вместо этого была разработана схема настройки интерфейса, позволяющая уменьшить активную мощность примерно на 50%. Кроме того, было уменьшено время, необходимое для переключения состояния мощности в процессе работы (рис. 3).



Источник: Intel

Рисунок 3. Поддержка PIPE версии 5.2 для применений с быстрой доступностью


Специалисты корпорации Intel отмечают, что если бы им удалось использовать интерфейс с PCI Express, то удалось бы добиться намного большей экономии электроэнергии, а также значительно упростить конструкцию.

Получившаяся спецификация PIPE не только помогает проектировщикам объединять чиплеты при значительной экономии потребляемой мощности в пределах одного модуля, но и обеспечивает гибкость конструкции. В свою очередь, это дает возможность принять решение, где будут располагаться некоторые элементы конструкции – на плате или на уровне модуля, – позже в процессе проектирования.

В дополнение к схеме Kaby Lake G специалисты корпорации Intel создали вентильную матрицу, программируемую пользователем (FPGA), Stratix 10. Эту ИС можно производить на нескольких кремниевых заводах, при этом изготавливая разные элементы по различным топологическим нормам. Разработанный Intel процесс дал разработчикам понимание того, как можно разместить в одном корпусе чиплеты различных изготовителей.

Главный принцип – совместимость, обеспечиваемая стандартами и спецификациями. При этом данный подход относится не только к интерфейсу, но и к спецификациям материалов. Это, в свою очередь, и позволяет интегрировать элементы, произведенные на различных производственных мощностях.


McGrath Dylan. Chiplet Ecosystem Slowly Picks up Steam. EE Times, June 18, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1334826


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ