تُظهر Intel's Ponte Vecchio و AMD's Zen 3 الوعد بتقنية تغليف أشباه الموصلات المتقدمة

ناقشت Intel و AMD بعضًا من تصميمات الرقائق الأكثر تقدمًا في المؤتمر الدولي لدوائر الحالة الصلبة هذا الأسبوع ، وسلطوا الضوء على الدور الذي تلعبه العبوات المتقدمة في منتجات الرقائق المتطورة في المستقبل. في كلتا الحالتين ، تأتي قدرات الأداء الجديدة المثيرة للإعجاب من الأساليب المعيارية التي تجمع بين اللبنات الأساسية المصنوعة في مصانع تصنيع مختلفة باستخدام عمليات تصنيع مختلفة. يوضح الإمكانات الهائلة لتغليف الرقائق في مستقبل ابتكار أشباه الموصلات.

يتمثل السوق المستهدف لشركة Intel في Ponte Vecchio كوحدة نمطية عالية الأداء يتم دمجها في أنظمة مراكز البيانات الكبيرة. إنها وحدة معالجة رسومات (GPU) ، وهي مصممة للتطبيقات في الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي ورسومات الكمبيوتر. تم تسميته على اسم الجسر الحجري الذي يعود للقرون الوسطى والذي يربط بيازا ديلا سيجنوريا على جانب واحد من نهر أرنو في فلورنسا بإيطاليا مع Pallazzo Pitti على الجانب الآخر. تتمثل إحدى السمات البارزة في التصميم في كيفية توصيله بالعديد من الشرائح المتخصصة - كتل بناء الدوائر المتكاملة التي من المفترض أن يتم دمجها لإنشاء أنظمة كاملة.

تستخدم Ponte Vecchio ثمانية "بلاطات" مُصنّعة في عملية تصنيع أشباه الموصلات التايوانية (TSMC) الأكثر تقدمًا 5 نانومتر. تحتوي كل قطعة على ثمانية "X^e"النوى ، ولكل من النوى الثمانية بدورها ثمانية ناقلات وثمانية محركات مصفوفة متخصصة. يتم وضع البلاط فوق "بلاطة أساسية" ، والتي تربطها بالذاكرة والعالم الخارجي بنسيج تبديل عملاق. تم بناء هذا البلاط الأساسي باستخدام عملية "Intel 7" الخاصة بالشركة ، وهو اسم جديد لعملية التصنيع SuperFin المحسنة للشركة 10 نانومتر. هناك أيضًا نظام ذاكرة عالي الأداء يسمى "RAMBO" ، والذي يرمز إلى ذاكرة الوصول العشوائي ، النطاق الترددي الأمثل ، والذي تم بناؤه على بلاطة أساسية باستخدام تقنية التوصيل البيني Intel 7 Foveros. كما تم دمج الكثير من اللبنات الأساسية الأخرى.

تصميم Ponte Vecchio هو دراسة حالة في التكامل غير المتجانس - يجمع بين 63 قطعة مختلفة (47 تؤدي وظائف الحوسبة و 16 للإدارة الحرارية) مع ما مجموعه أكثر من 100 مليار ترانزستور في عبوة واحدة تبلغ 77.5 × 62.5 مم (تقريبًا 3 × 2.5 بوصة). لم يمض وقت طويل عندما ملأت هذه القوة الحاسوبية مستودعًا وتطلبت توصيلها بالشبكة الكهربائية. التحديات الهندسية في مثل هذا التصميم وفيرة:

ربط جميع الأجزاء. يحتاج المصممون إلى طريقة لنقل الإشارات بين جميع الشرائح المتباينة. في الأيام الخوالي ، كان يتم ذلك باستخدام أسلاك أو آثار على لوحات الدوائر المطبوعة ، وكانت الرقائق تعلق عن طريق لحامها باللوحات. لكن ذلك نفد قوته منذ فترة طويلة ، حيث زاد عدد الإشارات والسرعة. إذا وضعت كل شيء في شريحة واحدة ، فيمكنك توصيلها بآثار معدنية في النهاية الخلفية لعملية التصنيع. إذا كنت تريد استخدام شرائح متعددة ، فهذا يعني أنك بحاجة إلى الكثير من دبابيس التوصيل ، وتريد أن تكون مسافات الاتصال قصيرة. تستخدم Intel تقنيتين لدعم هذا. الأول هو "جسر الربط المتعدد المضمن" (EMIB) والذي يتكون من قطعة صغيرة من السيليكون يمكن أن توفر مئات أو آلاف الاتصالات في وقت واحد ، والثاني هو تقنية التكديس Foveros die-to-die التي تم استخدامها لأول مرة في معالج Lakefield المحمول الخاص بها.

التأكد من مزامنة جميع الأجزاء. بمجرد توصيل الكثير من القطع المتباينة ، تحتاج إلى التأكد من أن جميع الأجزاء يمكنها التحدث مع بعضها البعض بشكل متزامن. يعني هذا عادةً توزيع إشارة توقيت تُعرف بالساعة ، بحيث يمكن لجميع الرقائق العمل بخطوة ثابتة. تبين أن هذا ليس تافهًا ، حيث تميل الإشارات إلى الانحراف وتكون البيئة صاخبة للغاية ، مع وجود الكثير من الإشارات التي ترتد حولها. كل بلاطة حسابية ، على سبيل المثال ، لديها أكثر من 7,000 وصلة في مساحة 40 ملم مربع ، لذلك هناك الكثير لتظل متزامنة.

إدارة الحرارة. تتطلب كل قطعة من البلاط المعياري قدرًا كبيرًا من الطاقة ، ويعد توصيلها بشكل موحد عبر السطح بالكامل أثناء إزالة الحرارة المتولدة تحديًا كبيرًا. تم تكديس رقائق الذاكرة لبعض الوقت ، ولكن الحرارة المتولدة موزعة بشكل موحد إلى حد ما. يمكن أن تحتوي رقائق المعالج أو البلاط على نقاط ساخنة اعتمادًا على مدى كثافة استخدامها ، كما أن إدارة الحرارة في مجموعة ثلاثية الأبعاد من الرقائق ليس بالأمر السهل. استخدمت إنتل عملية معدنية للجوانب الخلفية للرقائق ، ودمجت مع موزعات الحرارة للتعامل مع 3 واط المتوقعة التي ينتجها نظام بونتي فيكيو.

تضمنت النتائج المعملية الأولية التي أبلغت عنها إنتل> أداء 45 Teraflops. سيستخدم الكمبيوتر الفائق Aurora الذي يتم بناؤه في مختبرات Argonne الوطنية أكثر من 54,000 Ponte Vecchios إلى جانب أكثر من 18,000 من معالجات Xeon من الجيل التالي. تتمتع Aurora بأعلى أداء مستهدف بأكثر من 2 Exaflops ، أي 1,000 مرة أكثر من آلة Teraflop. في منتصف التسعينيات عندما كنت أعمل في مجال الحواسيب العملاقة ، كانت آلة واحدة من طراز Teraflop عبارة عن مشروع علمي بقيمة 1990 مليون دولار.

Zen 3 من AMD

تحدثت AMD عن نواة معالجاتها الدقيقة Zen 3 من الجيل الثاني المبنية على عملية TSMC 7 نانومتر. تم تصميم نواة المعالجات الدقيقة هذه ليتم استخدامها عبر قطاعات سوق AMD ، من الأجهزة المحمولة منخفضة الطاقة ، وأجهزة الكمبيوتر المكتبية ، وصولاً إلى خوادم مراكز البيانات الأقوى. كان المبدأ الأساسي لهذه الإستراتيجية هو تغليف Zen 3 الأساسي بوظائف الدعم كـ "مجمع أساسي" على شريحة واحدة ، والتي كانت بمثابة وحدات بناء معيارية تشبه إلى حد كبير بلاط Intel. وبالتالي يمكنهم تجميع ثمانية chiplets معًا للحصول على سطح مكتب أو خادم عالي الأداء ، أو أربعة chiplets لنظام قيم ، مثل نظام منزلي رخيص قد أشتريه. تقوم AMD أيضًا بتكديس الرقائق عموديًا باستخدام ما يسمى عبر فتحات السيليكون (TSVs) ، وهي طريقة لتوصيل عدة شرائح موضوعة فوق بعضها البعض. يمكن أن تجمع أيضًا بين اثنين إلى ثمانية من هذه الألواح الخشبية مع قالب خادم تم إنشاؤه على عملية GlobalFoundries 12 نانومتر لجعلها 3^rd رقائق الجيل خادم EPYC.

الفرصة العظيمة التي تبرزها Ponte Vecchio و Zen 3 هي القدرة على خلط ومطابقة الرقائق المصنوعة باستخدام عمليات مختلفة. في حالة إنتل ، تضمن ذلك أجزاءً مصنوعة من تلقاء نفسها بالإضافة إلى عمليات TSMC الأكثر تقدمًا. يمكن أن تجمع AMD أجزاء من TSMC و GlobalFoundries. من المزايا الكبيرة لربط الألواح الخشبية الصغيرة أو المربعات معًا بدلاً من مجرد بناء شريحة واحدة كبيرة أن الأصغر حجمًا سيكون لها عوائد تصنيعية أفضل وبالتالي تكون أقل تكلفة. يمكنك أيضًا مزج وتطابق chiplets الجديدة مع تلك التي أثبتت جدواها والتي تعرف أنها جيدة ، أو التي يتم تصنيعها في عملية أقل تكلفة.

كل من تصميمات AMD و Intel تقنية جولات القوة. لا شك أنها تمثل الكثير من العمل الجاد والتعلم ، وتمثل استثمارات ضخمة في الموارد. ولكن مثلما قدمت شركة IBM أنظمة فرعية معيارية في نظامها الرئيسي System / 360 في الستينيات ، وأصبحت أجهزة الكمبيوتر الشخصية معيارية في الثمانينيات ، فإن التقسيم المعياري لأنظمة السيليكون الدقيقة كما يتجلى في هذين التصميمين وتم تمكينه من خلال تغليف الرقائق المتقدمة ينذر بتحول تكنولوجي كبير. لا تزال العديد من القدرات المعروضة هنا بعيدة عن متناول معظم الشركات الناشئة ، ولكن يمكننا أن نتخيل أنه عندما تصبح التكنولوجيا أكثر سهولة ، فإنها ستطلق العنان لموجة من ابتكارات المزج والمطابقة.