Počítačové čipy a hranice pokroku: kam spěje polovodičový průmysl?

 

Je těžké mít dobrý přehled o všemožných technologiích, které se vyvíjejí pro pokročilé pouzdření čipů. Dá se říci, že ve světě PC je v tomto ohledu pionýrem společnost AMD, která už v roce 2015 představila karty R9 Fury a Nano s čipy Fiji, které vedle sebe měly 4x 1GB paměti HBM. Šlo o odvážný krok, na který AMD také částečně doplatilo problémy s výrobou, které se týkaly právě pouzdření, neboť paměti HBM nestačí propojit datovými cestami v rámci substrátu. Každá má 1024bitové rozhraní, které tak na velice malém prostoru celkově dosahuje 4096bitů. Právě k tomu poslouží tzv. interposer, čili kus křemíku rozkládající se pod GPU i všemi paměťovými čipy, v němž jsou vytvořeny veškeré potřebné datové a napájecí spoje, neboť přes interposer musí být připojeno k pouzdru i samotné GPU. 

 

GPU Fiji od AMD 

 

AMD ještě chvíli vydrželo nabízet desktopové/herní karty s HBM či HBM2, ovšem to už skončilo předloni uvedením nemastného neslaného Radeonu VII, který na trh přišel spíše z nouze, neboť nic jiného než 7nm Vega 20 nebylo k dispozici, přičemž tato karta poté brzy a potichu zmizela z trhu a s ní i HBM2, které dnes už můžeme brát jako hardware využívaný drahými akcelerátory. 

 

Lakefield s technologií Foveros 

 

Přišel ale Intel a jeho Lakefield, který byl už sice také poslán do důchodu, ale ukázal nám budoucnost. Intel vytvořil úsporné čipy s využitím technologie Foveros, které byly tvořeny dvěma vrstvami logických čipů (níže cache a IO a výše CPU a GPU), nad nimiž byly dvě vrstvy pamětí DRAM, i když uvedený obrázek ukazuje pouze jednu, ale to je pouze detail. Jde tu o vertikální propojení čipů, což není užitečné jen k tomu, že se může šetřit místem. To je asi ta nejméně podstatná výhoda, i když v případě mobilních zařízení není k zahození. 

 

Jde tu především o samotnou schopnost efektivně propojit dva samostatné čipy, což bude mít podstatný vliv na to, jakým způsobem budou tvořena budoucí CPU, GPU a jiné produkty. Výroba menších čipů je vždy snadnější a levnější než tvorba velkých monolitů, čili jejich spojení do jednoho funkčního celku se může velice vyplatit. To ostatně už delší dobu ukazuje AMD díky Ryzenům v moderní podobě se 7nm čiplety, jež se dají univerzálně nasadit v nejlevnějších desktopových procesorech i nejdražších serverových procesorech a dále kombinovat s I/O čipy, které nemá smysl tvořit nejmodernějším dostupným procesem. I zde jde o chytrý způsob využití prostředků, ale nejde o to, co označujeme za pokročilou technologii pouzdření, neboť je tu využito propojení pouze v rámci procesorové substrátové destičky. 

 

Další výhoda vrstvení čipů je však právě ta, kterou nedávno ukázalo právě AMD. Jde samozřejmě o V-Cache, čili dodatečnou L3 cache pro čiplety Zen 3. Jde tak o samostatný malý čip se 64 MB paměti, který se umístí přímo doprostřed čipletu, což má svůj důvod. Výhoda je tu konkrétně ve velice krátkých datových spojích vertikálně vrstvených čipů, což má svůj dopad na latence. Nevýhoda je ale zase ve složitějším chlazení, což se bude muset řešit všelijak. AMD to vyřešilo prostě tak, že V-Cache dalo na prostředek čipletu, kde je jeho původní L3 cache a po stranách jsou jen holé kusy křemíku, přes něž může proudit teplo procesorových jader vzhůru do heatspreaderu. Vrstvení ale nepůjde použít skutečně všude a tam, kde je prvořadý výkon, budou čipy kvůli chlazení (zatím) spíše vedle sebe. 

 

Ryzen 9 5900X s V-Cache na jednom z čipletů

 

To je tedy stručný průřez vývojem posledních let z hlediska pouzdření čipů, který AMD zatím završilo 3D čiplety. 

 

 

Už brzy ale přijde první produkt, který v případě Intelu zúročí léta výzkumu a příprav, která čítala právě i procesory Lakefield. Jde samozřejmě o GPU Ponte Vecchio, která jsou tvořena celkem 47 čipy vyráběnými řadou různých procesů a celkem budou obsahovat přes 100 miliard tranzistorů. 

 

Intel Ponte Vecchio 

 

Oproti Ponte Vecchio jsou všechny výše jmenované produkty jen nesmělé pokusy, neboť až zde se ukazuje, v čem tkví síla interposerů, křemíkových spojů EMIB a výsledné možnosti kombinovat mnoho různých čipů, které byly vytvořeny právě takovým procesem, jaký se pro ně nejvíce hodí. Intel zde také dostane možnost outsourcovat, čili využít výrobních kapacit jiných firem.

 

Svou odpověď si ale pochopitelně připravují i jiné firmy. Samsung už nabízí svou technologii X-Cube, která se nyní může využívat pro tvorbu čipů tvořených základem s logickými obvody a paměťmi SRAM v horní vrstvě. To Samsung pochopitelně využije i ve svých produktech, zatímco TSMC vyvíjí rovnou celou řadu technologií, jako je především CoWoS, kde jde i o vytvoření co největších interposerů pro propojení mnoha čipů do velkého celku. 

 

 TSMC CoWoS

 

Souhrnně jde ale o technologie sdružené pod TSMC 3DFabric, kam patří také obdoba intelovského EMIB s názvem LSI, čili celkově lze počítat s tím, že velkým monolitům už odzvonilo, ostatně i generace AMD CDNA2 a NVIDIA Hopper už budou vícečipové, čímž máme na mysli více GPU čipů a ne pouze GPU + HBM. Pochopitelně ale půjde nejdříve o drahé a výkonné serverové či superpočítačové produkty, než se jejich technologie uplatní i v běžném hardwaru pro PC. 

 

Nové technologie pouzdření nám tak poskytují asi největší naději na to, že růst výkonu čipů se v příštích letech nezastaví a možná že se budeme naopak divit, jak prudce poroste, až budou opravdu zvládnuty příslušné technologie.