Chiplet nedir ne işe yarar?

Chiplet nedir? Buraya geldiyseniz kendinize sorduğunuz sorulardan biri de şüphesiz bu. Ve CPU teknolojisi ve ayrıca ağırlıklı olarak ekran kartları alanında giderek daha fazla duyulan bir terim olmasıdır. Yeni bir şey değil ama hiçbir zaman bugünkü kadar önemli olmadı ve yakın gelecekte de böyle olmaya devam edecek. Bununla birlikte, bu tekniğin zaten çok umut verici halefleri var, çünkü dezavantajları yok değil.

Chiplet nedir?

Chiplet, kendisine benzer veya aynı olan diğerleriyle çalışmak üzere tasarlanmış bir entegre devre bloğundan veya çipten başka bir şey değildir. Bu şekilde, daha büyük veya daha karmaşık bir yüzeye sahip bir çip, birkaç küçük çip ile değiştirilir.

Chipletlerin kullanılmaya başlanmasının nedeni, çipler büyüdüğü için ve verim veya üretim performansı ile ilgilidir. Ticari işlemciler için ilk kullanımlarından biri, 2017’de Dr. Lisa Su tarafından açıklandığı gibi AMD Zen’deydi.

Dökümhaneler giderek daha küçük bileşenler oluşturmak için üretim düğümlerini yükselttikçe, yüksek performanslı yongaların karmaşıklığı ve kapladığı alan arttı, dolayısıyla maliyetler artmaya devam etti. Bu nedenle, daha büyük monolitik çipler yapmak ekonomik olarak daha az uygulanabilir hale geliyor. Bu nedenle, karmaşık bir sistemi birkaç küçük ve daha basit sisteme bölerek yonga tabanlı tasarımların kullanılmasına karar verildi.

Orta yonga olacak yaklaşık 18 x 20 mm boyutunda bir kalıp boyutu ile 360 ​​mm² yüzey alanına sahip olduğunu ve bu da 300 mm çapında bir çubukta yaklaşık 150 yonga anlamına geldiğini unutmayın. Bu tasarımı dört 9,5×10,5 mm yonga parçasına bölmek yaklaşık 99 mm² verim sağlar, bu da bir çubuk üzerinde 622 adede kadar yonga yapılabileceği anlamına gelir.

Bu, ikinci durumda verimin katlanmasına neden olacaktır, yani birinci duruma göre daha işlevsel çipler ile sonuçlanacaktır. Bu nedenle maliyetler bu şekilde düşürülebilir. Aşağıdaki resimde daha sezgisel olarak görebilirsiniz:

Anlaşılabileceği gibi, çipin boyutu ne kadar küçük olursa, üretkenlik o kadar yüksek olur, daha az çip israfı ve her bir çubuk için daha fazla miktar üreterek maliyetleri düşürür. Ayrıca, Moore Yasası’nın karmaşıklığın büyümesini öngördüğünü ve çok çekirdekli görünümün durumu daha da kötüleştirdiğini göz önünde bulundurmalısınız. Basitçe küçülen düğümler, çip boyutlarını koruyamaz ve bunun sonucunda fiyat artar.

Chiplet trendi CPU ve GPU’ların ötesine geçerek otomotiv çipleri, bellekler vb. sektörlere de ulaşarak trend haline gelecek gibi görünüyor.

MCM ile farklılıklar

MCM (Çoklu Çip Modülü) adı verilen, yıllardır kullanılan bir paketleme türü vardır, yani, bir alt tabaka üzerinde birkaç yonga kullanan ve birbiriyle bağlantılı, iletim pimlerini veya pedlerini paylaşan bir montaj türü.

IBM POWER işlemcileri, MCM paketini kullanıyor ve şimdi de en yeni işlemcileri için AMD’yi kullanıyor. Ve farkı merak ediyorsanız, gerçek şu ki, MCM paketleme biçimini belirtmek için kullanılan bir terimdir ve chipletler, bir sistemin bölündüğü yongaları ifade eder. Başka bir deyişle, her IC, tüm sistemin işlevsel bir alt kümesidir ve yonga olarak adlandırılır. Gruplandırılmış tüm yongalar tüm seti tamamlayacaktır.

Örneğin, bir AMD EPYC yongalara bölünmüştür, ancak MCM paketini kullanır. Intel, GPU’larını CPU’larla entegre ederken, APU’larında AMD’nin izlediğinden farklı bir strateji gibi bazı durumlarda bu tür paketlemeyi de kullandı. AMD Radeon Instinct MI200 GPU’larında, Intel Xe Ponte Vecchio’da vb. daha fazla kullanım var.

Bu tip paketlerde görülebilen parçalara gelince:

• Chipletler: Sistemin bölündüğü yongalardır. Alt sistemler, bellek, işlem birimleri, iletişim birimleri vb. gibi çeşitli tiplerde olabilir. Örneğin, yukarıdaki görüntüdeki IBM POWER6’da şu bölümlere ayrılmıştır:
  • CPU çekirdekleri
  • Kalıp dışı L3 önbellek yongaları
• Aracı: entegre devreleri veya yongaları birbirine bağlayan alt tabaka veya PCB’dir. Genellikle organik malzemeden yapılır. IBM POWER6 durumunda bu kahverengi alandır.
• Diğer: Aracı üzerinde dirençler, kapasitörler vb. gibi yüzeye montaj bileşenlerini görmek de yaygındır. IBM POWER6’da yongaları çevreleyen tüm SMD bileşenlerini görebilirsiniz.

Chiplet’lerin ve yeni paketleme sistemlerinin, çeşitli işlemciler, bellekler, programlanabilir FPGA’lar gibi özel hızlandırıcılar olarak kullanılması gibi ilginç çiplerin, yani heterojen hesaplama olarak adlandırılan entegrasyonuna izin vereceğini belirtmek ilginçtir.

Bir yonganın monolitik bir yongaya karşı avantajları ve dezavantajları

MCM veya yonga tasarımları söz konusu olduğunda bunların tümü avantaj değildir, ayrıca tüm sistemin tek bir yonga üzerinde entegre edildiği monolitik tasarımlara kıyasla dezavantajları da vardır. Chiplet’lerin avantajları arasında:

• Tasarım süresini en aza indirir.
• Maliyetleri azaltır, verimi artırır.
• Daha fazla bellek veya daha fazla işlem çekirdeği kullanma imkanı sağlar. Yani modüler oldukları için daha ölçeklenebilirler.
• Farklı yongalarda ve hatta farklı mantık ailelerinde ve hatta farklı yarı iletkenlerde (Si, SiGe, GaN, GaAs, InP,…) birkaç üretim düğümü kullanma imkanı sağlar.

Chipletlerin dezavantajları durumunda:

• Birimler arasında daha fazla iletişim gecikmesine neden olur.
• Daha karmaşık aracılara ihtiyaç vardır.
• İletişim mantığının uygulanması gerekir.
• Bir kalıbın bağlanamaması, tüm cihazın çalışmayı durdurduğu anlamına gelebilir.

Bu bölünme paradigmasının getirdiği avantajları korurken, chipletlerin bu dezavantajlarını ortadan kaldırmaya çalışacak bazı çözümler şu anda geliştirilmekte ve ticarileştirilmeye başlanmaktadır. Yongaların istiflendiği ve monolit benzeri gecikmeler elde ettiğiniz yeni 2.5D ve 3D paketlerden bahsediyorum, ancak yine de istiflenmiş her bir çipi ayrı ayrı oluşturabilirsiniz. Bir örnek, en büyük önbelleğe sahip yongaların işlem birimlerinin üzerine yerleştirildiği 3D V-Cache’dedir.

Bu tür bir teknolojideki sorun, her üretici kendi yöntemlerini kullandığı için hala standardizasyon eksikliği olmasıdır. Bu nedenle, gelecekte farklı üreticilerin yongalarını aynı cihazda paketlemek gerekirse, bunlar uyumlu olmayacaktı. Elbette Intel Foveros, Intel EMIB, TSMC LSI, TMSC CoWoS, vb. gibi terimleri duymuşsunuzdur, bunların hepsinde bazı farklılıklar vardır…

Monolitik çipler: avantajlar ve dezavantajlar

Monolitik çipler, tıpkı chipletler gibi, burada özetlediğim avantaj ve dezavantajlarına da sahiptir:

Monolitik IC’lerin Avantajları:

• Daha küçük paket boyutu, boyutun önemli olduğu mobil veya gömülü cihazlar için daha olumlu hale getirir.
• Paketlemede daha az karmaşıklık ve dolayısıyla daha ucuz.
• Dahil edilen daha az parça nedeniyle daha iyi güvenilirlik (arızalanabilecek daha az iletken hat, kaynak vb.).
• Daha az enerji tüketimi anlamına gelebilir.
• Farklı parçalar arasındaki veri aktarımı, yakınlıkları ve tüm birimlerin genellikle aynı frekansta çalışması nedeniyle daha hızlı ve daha az gecikmeyle gerçekleşir.
• Farklı yongaları koordine etmek için ek mantık ihtiyacını ortadan kaldırır.

Monolitik IC’lerin Dezavantajları:

• Düşük verim nedeniyle yongalardan daha yüksek üretim maliyetleri.
• Daha fazla konsantre dağılma gücü.
• Yalnızca bir transistör veya ara bağlantı başarısız olursa, tüm IC çalışmayı durdurur.
• Düşük esneklik ve ölçeklenebilirlik.

Chiplet hakkında sonuç değerlendirme

MCM yongaları ve paketlemenin avantajları olmasına rağmen, SoC’ler gibi bazı tasarımlar, hızlar iyileştirildiğinden hala monolitik yongalar olarak kalmaya çalışıyor. Chiplet’lerin yüksek performanslı yongaların geleceği olup olmadığı söylenemez, aksine gelecek farklı teknolojiler arasında bir melez olacaktır.

Bir yandan yongalar ve MCM paketini göreceğiz, bu yongalar ise şu anda CPU ve RAM arasında bir darboğaz olan gecikmeleri azaltmak için bellek ve mantığı birbirine yaklaştırmak için tümleşik devre yığınlarından (2.5D/3D) oluşuyor. Tüm bunlara ek olarak, çok daha hızlı veri aktarımı için optik ara bağlantılar gibi performansı daha da artırmaya yardımcı olabilecek başka teknolojiler de gelecek. Telefon hatlarında bakır kablolardan fiber optiklere geçişe benzer bir şey.

Ve silikon teknolojisinin çatısının çıkmasıyla birlikte tüm bu teknolojiler giderek daha önemli hale gelecek. Entegrasyon seviyesi çok yoğun olduğunda güç kaybı gibi bazı zorlukların çözülmesi gerekmesine rağmen. Onlarca yıllık ünlü “Daha küçük, daha hızlı ve daha ucuz” iddiası giderek daha pahalıya mal olacak.