Was sind CPU-Chiplets?

In der Vergangenheit haben CPUs die Leistung gemäß dem informellen „Moore's Law“ schnell gesteigert. Das Mooresche Gesetz ist eine Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren in Prozessoren und damit die Rechenleistung der Prozessoren etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Das Mooresche Gesetz galt jahrzehntelang ziemlich konsequent, seit es 1965 erstmals aufgestellt wurde, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass die Prozessorhersteller ständig Fortschritte bei der Baugröße der Transistoren machten. Die Verkleinerung der Prozessortransistorgröße erhöht die Leistung, da mehr Transistoren auf kleinerem Raum Platz finden und kleinere Komponenten energieeffizienter sind.

Moores Gesetz ist tot

Realistischerweise würde das Mooresche Gesetz jedoch nie für immer gelten, da es immer schwieriger wird, Komponenten zu verkleinern, je kleiner sie werden. Seit 2010 geraten Prozessorhersteller auf der 14- und 10-Nanometer-Skala – das sind 10 Milliardstel Meter – an den Rand des physikalisch Machbaren. Prozessorhersteller haben sich wirklich schwer getan, die Prozessgröße weiter unter 10 nm zu verkleinern, obwohl ab 2020 einige 7-nm-Chips verfügbar sind und sich 5-nm-Chips in der Designphase befinden.

Um die fehlende Prozessschrumpfung zu bekämpfen, mussten Prozessorhersteller andere Methoden anwenden, um die Prozessorleistung weiter zu steigern. Eine dieser Methoden besteht darin, einfach größere Prozessoren herzustellen.

Ertrag

Eines der Probleme bei der Erstellung eines unglaublich komplexen Prozessors wie diesem besteht darin, dass die Ausbeute des Prozesses nicht 100% beträgt. Einige der hergestellten Prozessoren sind bei der Herstellung einfach defekt und müssen entsorgt werden. Bei der Herstellung eines größeren Prozessors bedeutet die größere Fläche eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass jeder Chip einen Fehler aufweist, der ihn wegwerfen muss.

Prozessoren werden in Chargen hergestellt, wobei viele Prozessoren auf einem einzigen Siliziumwafer arbeiten. Wenn diese Wafer beispielsweise im Durchschnitt jeweils 20 Fehler enthalten, müssen ungefähr 20 Prozessoren pro Wafer weggeworfen werden. Bei einem kleinen CPU-Design könnten sich beispielsweise hundert Prozessoren auf einem einzigen Wafer befinden; 20 zu verlieren ist nicht großartig, aber eine Rendite von 80% sollte profitabel sein. Bei einem größeren Design können Sie jedoch nicht so viele Prozessoren auf einem einzelnen Wafer unterbringen, da vielleicht nur 50 größere Prozessoren auf einen Wafer passen. 20 von diesen 50 zu verlieren, ist viel schmerzhafter und weniger profitabel.

Hinweis: Die Werte in diesem Beispiel dienen nur zu Demonstrationszwecken und sind nicht unbedingt repräsentativ für reale Erträge.

Chiplets

Um dieses Problem zu bekämpfen, haben Prozessorhersteller einige der Funktionen und Komponenten auf einen oder mehrere separate Chips aufgeteilt, obwohl sie im gleichen Gesamtpaket bleiben. Diese getrennten Chips sind kleiner als ein einzelner monolithischer Chip und werden als „Chiplets“ bezeichnet.

Jedes einzelne Chiplet muss nicht einmal denselben Prozessknoten verwenden. Es ist durchaus möglich, sowohl 7-nm- als auch 14-nm-basierte Chiplets im gleichen Gesamtpaket zu verwenden. Die Verwendung eines anderen Prozessknotens kann helfen, Kosten zu sparen, da größere Knoten einfacher hergestellt werden können und die Ausbeuten im Allgemeinen höher sind, da die Technologie weniger auf dem neuesten Stand ist.

Tipp: Prozessknoten ist der Begriff, der verwendet wird, um sich auf die Größe der verwendeten Transistoren zu beziehen.

In AMDs EPYC-Server-CPUs der zweiten Generation sind die CPU-Prozessorkerne beispielsweise auf acht separate Chiplets aufgeteilt, die jeweils den 7-nm-Prozessorknoten verwenden. Ein separates 14-nm-Knoten-Chiplet wird auch verwendet, um die E/A oder Eingabe/Ausgabe der Chiplets und des gesamten CPU-Pakets zu verarbeiten.

Intel entwickelt einige seiner zukünftigen CPUs mit zwei separaten CPU-Prozessorchips, von denen jeder auf einem anderen Prozessknoten läuft. Die Idee ist, dass der ältere Larder-Knoten für Aufgaben mit geringerem Energiebedarf verwendet werden kann, während die neueren kleineren Knoten-CPU-Kerne verwendet werden können, wenn maximale Leistung benötigt wird. Das Design mit einem geteilten Verarbeitungsknoten ist besonders hilfreich für Intel, das Schwierigkeiten hatte, akzeptable Erträge für seinen 10-nm-Prozess zu erzielen