Крупные монолитные чипы весьма сложно выпускать, особенно на новых техпроцессах, отличающихся высокой сложностью производства. AMD разработала архитектуру Zen на основе кристаллов Zeppelin, которые можно легко комбинировать для более мощных решений: один кристалл для процессоров Ryzen, два и скоро уже четыре - для Ryzen Threadripper, четыре кристалла для серверных процессоров EPYC.
Intel разработала технологию Embedded Multi-die Interconnect Bridge (EMIB), которая позволяет соединять в одной упаковке несколько кристаллов, причем они могут быть изготовлены по разным техпроцессам. Технология используется, например, для Stratix FPGA и процессоров Core с интегрированной графикой Radeon RX Vega M.
С графическими процессорами Fiji (AMD Radeon R9 Fury X) AMD впервые стала использовать подложку. Она обеспечивала связь между GPU и памятью HBM первого поколения. Мы как раз опубликовали статью, в которой описали работу подложки. Подложка - полностью пассивный компонент, но ее весьма сложно производить. И доля выхода годных подложек существенно сказывается на себестоимости GPU Fiji и Vega - до сих пор она была весьма высокой.
AMD работает над активной подложкой
Между тем AMD уже начала разработку так называемой активной подложки. Амбиции AMD в сегменте многочиповых модулей MCM (multi-chip modules) для процессоров и GPU очевидны. NVIDIA, похоже, тоже разрабатывает GPU на основе нескольких кристаллов. Для AMD подобное решение тоже может быть весьма востребованным, оно может использоваться вместе с GPU нового поколения.
В документе под названием "Cost-Effective Design of Scalable High-Performance Systems Using Active and Passive Interposers" (PDF) как раз приведены преимущества активной подложки, которая не просто пассивно передает сигнал из точки A в точку B, но содержит активные элементы - например, "сеть на чипе" NoC (network on chip). Подобные NoC обеспечивают более эффективную передачу сигнала и снижают задержки. Технологию Intel EMIB тоже можно описать как активную подложку, поскольку AMD за основу взяла компоненты, использующиеся в EMIB. Но у активной подложки есть свои недостатки, в первую очередь это цена, хотя здесь все зависит от доли выхода годных подложек.
Разницу между пассивной и активной подложками весьма легко описать. В случае активной подложки между отдельными кристаллами (в документе они названы chiplet) устанавливаются соединения точка-точка, через которые и передается информация. Если установить на подложку два кристалла GPU и четыре кристалла памяти HBM2, то потребуется 4x 1.024 подключения памяти к каждому GPU при использовании архитектуры с общей памятью.
Активная подложка опирается на так называемые роутеры. Если взять приведенный выше пример с двумя кристаллами GPU и четырьмя чипами памяти HBM2, то мы получим следующую конфигурацию: каждый чип HBM2 и два GPU соединяются с подложкой, вернее с NoC, после чего данные будут передаваться по нужному маршруту. Повторители будут усиливать сигнал при необходимости - данная проблема возникает при значительных длинах проводников в пассивных подложках. В результате при увеличении длины проводников приходится снижать скорость передачи данных. И выходом здесь как раз является активная подложка.
Как мы упоминали выше, серьезной проблемой активной подложки является доля выхода годных кристаллов. В случае пассивной подложки многие дефектные области получается обойти, но у активной подложки стойкость к дефектам намного ниже. Если дефект производства пришелся на активный элемент, то обойтись без него уже не получится. Конечно, проблему можно решить резервированием. То есть дублированием на подложке роутеров, а также добавлением резервных линий ко всем шинам, которые можно использовать в случае сбоя основных линий.
Активные подложки могут существенно снизить задержки при передаче данных и увеличить пропускную способность. Но, скорее всего, это будет сопряжено с дополнительными затратами. Благодаря многочиповому дизайну процессоров на основе кристаллов Zeppelin AMD смогла существенно увеличить долю выхода годных чипов. Кроме того, функциональность процессора теперь определяется числом кристаллов Zeppelin.
Вывод можно сделать следующий: грядущие поколения чипов будут опираться на активную подложку в том случае, если более высокие затраты приведут к приросту производительности, который их окупит.