17 февраля на Международной конференции по полупроводниковым интегральным микросхемам (International Solid-State Circuit Conference, ISSCC) французский институт CEA-Leti представил новый метод построения многоядерных процессоров. Чиплеты с несколькими ядрами объединяются в крупное устройство размещением их на специальной подложке с активными элементами.
Исследователи как описали теоретический задел для масштабирования системы до 512 ядер, так и подкрепили его 96-ядерным прототипом на 6 чиплетах. Институт назвал несколько достоинств своего решения.
Международная конференция по полупроводниковым интегральным микросхемам прошла в этом месяце в Сан-Франциско c 16 по 20 февраля. Организаторы заверяли участников, что отслеживали угрозу коронавируса и не стали отменять мероприятие. Устраивающий ISSCC Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) не последовал примеру ассоциации GSMA, которая 12 февраля, меньше чем за 2 недели до мероприятия, объявила об отмене MWC в Барселоне.
Вниманием на конференции ISSCC пользовался доклад AMD. Компания описала архитектуру Zen 2. В вечер доклада на конференции был поставлен рекорд производительности. «Разогнанный» до 5,2 ГГц и охлаждённый жидким азотом 64-ядерный процессор Ryzen Threadripper 3990X набрал 39 744 баллов в бенчмарке Cinebench R20. При этом до этого несколько недель рекорд удерживала 128-ядерная система стоимостью в 20 тысяч долларов на двух серверных процессорах AMD, хвастался представитель AMD.
В последние годы увеличивать число транзисторов на кристалле кремния становится всё сложнее. Эмпирическое наблюдение Мура — каждые 24 месяца число транзисторов на микросхеме удваивается — когда-то, но перестанет работать из-за атомарной природы вещества. Будет достигнут предел, когда уменьшать размер транзистора на микросхеме будет более невозможно из-за проявлений квантовых эффектов в микросхеме.
На практике это означает, что с увеличением числа ядер на процессоре вырастет физический размер кристалла и, соответственно, его цена. Выйти из положения можно, если разместить ядра многоядерной системы на нескольких соединённых специальной шиной кристаллах.
Для микроархитектуры Zen AMD научилась умещать под одной крышкой процессора сразу несколько десятков ядер, размещая их на отдельных кристаллах. На каждом из кристаллов выполнено несколько ядер, а кристаллы могут общаться друг с другом с помощью специальной шины — в случае AMD это Infinity Fabric. Такое решение уже коммерчески зарекомендовало себя.
Но соединение кристаллов Zen не имеет активных элементов. Это соединения на текстолитовой подложке, которые просто передают электрический сигнал. Чтобы выполнять какие-то простые функции, в подложку придётся встраивать небольшие управляющие чипы.
Исследователи Leti и List, институтов CEA-Tech, называют недостатки существующих решений. Используемая текстолитовая подложка не может дать гибкого в конфигурациях и дальнего в расстояниях передачи канала связи между чиплетами. С пассивным интерпозером невозможна простая интеграция большего числа чиплетов и совмещение разнородных кристаллов, считают французские исследователи.
В докладе научный директор CEA-Leti Паскаль Вивет приводил конкретные примеры. Если есть кристаллы от двух разных производителей, интерфейсы которых несовместимы, просто пассивный интерпозер не подойдёт. В таком случае обязательны какие-то активные элементы.
Также с пассивной подложкой сложно масштабировать некоторые функции — решения по управлению питанием, аналоговые функции, ввод-вывод.
Чтобы обойти эти ограничения специалисты институтов CEA-Leti и CEA-List предлагают технологию интерпозера с активными элементами. В подобный интерпозер встроена сеть соединений для работы размещённых на нём чиплетов, регуляторы напряжения для их питания и ввод-вывод.
В представленном прототипе крупный кристалл интерпозера выполнен по относительно зрелому и дешёвому техпроцессу 65 нм. На 20-микрометровые соединения трёхмерной микросборкой по технологии переходных отверстий в кремнии (Through-silicon via, TSV) размещены 6 28-нанометровых чиплетов с технологией производства 28 нм FDSOI. В каждом из чиплетов находится по 16 ядер. Как обещает CEA-Leti, максимальная конфигурация такой системы — 512 ядер.
Прототип изготовила STMicroelectronics, проектирование велось в Mentor Graphics, подразделении Siemens. Пресс-релиз института говорит мало о производительности прототипа. Указано, что он достигает скорости работы в 220 миллиардов операций в секунду.
Активный интерпозер включает регуляторы напряжения для питания обслуживаемых чиплетов, которые в более традиционной технологии размещаются на самом процессоре. В последнем случае это обычно регуляторы с малым падением напряжения, которыми процессоры управляют напряжением питания и улучшают своё энергопотребление. Команда Вивета вывела регуляторы напряжения на интерпозер и выбрала более энергоэффективные схемы на переключаемых конденсаторах. Здесь никак не помешал обычный недостаток такого решения — необходимость искать пространство для собственно конденсаторов. На интерпозере для них нашлось место. Так было достигнуто энергопотребление в 156 милливатт на квадратный миллиметр.
В предложенном французскими исследователями решении кэши первого и второго уровня соединяются напрямую, без каких-либо дополнительных элементов между ними. Соединения кэшей второго и третьего уровня уже требуют какую-то логику. Также активные элементы интерпозера необходимы для соединения кэша третьего уровня и памяти вне процессора. Система на активном чиплете может передать между чиплетами 3 терабайта в секунду на квадратном миллиметре кремния с задержкой в 0,6 наносекунд на миллиметр. Этот факт исследователи вынесли в название научной работы.
Наконец, кроме питания, гибких топологий соединения чиплетов и контроллера памяти на интерпозере размещён физический интерфейс соединения с сокетом.
Для дальнейшего улучшения технологии исследователи предлагают попробовать технологию соединения кристалл-на-пластине (die-to-wafer), с которой трёхмерные микросборки станут плотнее. Так улучшатся их электрические, механические и термальные параметры. Возможны соединения фотоонным интепозером — то есть с использованием фотонных каналов связи.
Автор: atomlib
