AMD y el chiplet, pasado, presente y futuro

El diseño de núcleo monolítico fue, durante muchos años, la opción más popular y más utilizada en el mundo de los semiconductores, pero la creciente complejidad de este tipo de diseños y los altos costes de transferencia a la oblea hicieron que fuese necesario buscar otras alternativas más eficientes y rentables. AMD encontró lo que necesitaba los diseños MCM, y este evolucionó hasta convertirse en un diseño tipo chiplet.

El chiplet es un chip de pequeño tamaño que puede contener diferentes elementos en su propio encapsulado, y que está diseñado para poder ser integrado fácilmente e interconectado con otros chiplets, ya sea siguiendo una disposición en 2D, que es lo más habitual, como en 3D, que es mucho menos frecuente, aunque este tipo de implementaciones han demostrado tener un gran potencial, solo tenemos que ver lo que ha conseguido AMD con los Ryzen con caché apilada en 3D.

Los chiplets pueden contener las partes básicas de una CPU, una GPU, elementos I/O y también caché L3 adicional, entre otras cosas. Esto simplifica muchísimo la creación de soluciones complejas, como por ejemplo una CPU con un alto número de núcleos, ya que en vez de crear una enorme pastilla de silicio con una gran cantidad de elementos podemos dividirla en pequeños chiplets interconectados.

Qué ventajas ofrece el chiplet

Ya os he dado un adelanto en el párrafo anterior. El chiplet permite simplificar el diseño y la creación de procesadores y núcleos gráficos altamente complejos al dividir sus partes en varios chiplets. También facilita la ejecución en la oblea, aumenta la tasa de éxito, reduce en gran medida los costes y aumenta la viabilidad técnica y económica de diseños que serían prácticamente imposibles con un modelo monolítico.

Os pongo un ejemplo para entenderlo mejor. Pensad en un procesador de 128 núcleos, para convertir este en una realidad utilizando un diseño de núcleo monolítico tendríamos que tener un diseño y un nodo capaz de embutir 128 núcleos, con sus cachés y todos sus elementos, en una única pastilla de silicio. Pero esto no es todo, cada chip tendría que salir perfecto, no tendríamos margen de error.

Si un chip sale con 120 núcleos funcionales ya no nos serviría, y tendríamos que descartar ese chip o reutilizarlo para venderlo como un producto inferior. También podríamos encontrarnos con fallos en el sistema I/O o en las cachés, lo que podría acabar inhabilitando por completo el chip. Como es un chip muy complejo las posibilidades de que algo salga mal son muy altas, y esto reduce su viabilidad en la oblea, aumenta la complejidad y el espacio ocupado en la oblea, y puede disparar los costes.

En rojo podemos ver el chiplet CPU, y en verde el chiplet I/O.

Con el chiplet el planteamiento sería muy distinto, y voy a poner como ejemplo a AMD, porque ha sido la empresa que ha apostado con más fuerza por este tipo de diseños. El gigante de Sunnyvale utilizaría dos tipos de chiplets para crear ese procesador de 128 núcleos:

• El chiplet CPU, que tiene 8 núcleos y 16 hilos, y cuenta con 32 MB de caché L3.
• El chiplet I/O, que integra todo el subsistema de conectividad y las controladoras de memoria.

Para dar vida a un procesador de 128 núcleos AMD necesita 16 chiplets CPU y un chiplet I/O. Producir chips de 8 núcleos es mucho más sencillo, las posibilidades de que algo salga mal son mínimas, y su impacto tanto a nivel de espacio en la oblea como de costes es muchísimo más bajo. Pero esto no es todo, este tipo de diseños también son altamente escalables, y permiten ajustar el uso de silicio de forma precisa para adaptarlo a las necesidades reales de cada perfil de usuario y evitar costes innecesarios.

El chiplet también es altamente escalable. Gracias a este diseño modular AMD puede crear procesadores de consumo general muy potentes con uno o dos chiplets (hasta 16 núcleos y 32 hilos), y escalar ese mismo diseño en sus procesadores AMD EPYC Genoa con hasta 16 chiplets, que suman hasta 128 núcleos y 256 hilos.

Gracias a este tipo de diseño crear procesadores con un mayor número de núcleos es casi tan fácil como un juego de Lego, basta con añadir tantos chiplets CPU como sean necesarios, interconectarlos y listo.

Normalmente el escalado de chiplets se produce mediante su disposición e interconexión en 2D, pero AMD también ha sido capaz de escalar a través del apilado en 3D, que ha permitido aumentar en gran medida la cantidad de caché disponible. El ejemplo más popular lo tenemos en los Ryzen 5000X3D y Ryzen 7000X3D, que cuentan con hasta 128 MB de caché L3, pero AMD también ha llevado esta tecnología a sus procesadores EPYC, y ha sido capaz de crear soluciones con hasta 1.152 MB de caché L3.

Un vistazo al futuro

La transición de AMD a un diseño MCM con Zen, y su apuesta por el chiplet con Zen 2, marcó un cambio importante en la industria que se consagró con Zen 3, una arquitectura que afianzó al chiplet en un sector en el que el diseño de núcleo monolítico todavía se intentaba mostrar como «la única opción» viable, cuando en realidad estaba empezando a convertirse en todo lo contrario.

El presente y el futuro de de AMD pasa por el chiplet, pero la carrera a favor de este tipo de diseños no ha hecho nada más que empezar. Su uso se está extendiendo poco a poco a poco, y es solo cuestión de tiempo hasta que empecemos a verlo en una mayor cantidad de soluciones tecnológicas, que van desde procesadores hasta tarjetas gráficas, aceleradoras y otros tipos de unidades de computación de alto rendimiento.

Con el nacimiento de la Universal Chiplet Interconnect Express no solo se confirmó la importancia y el papel transformador del chiplet, sino que además quedó clara una propuesta tan ambiciosa como interesante en el futuro de este tipo de diseños, la posibilidad de que los grandes jugadores del sector puedan combinar chiplets de distintas marcas en un único empaquetado. Pensad, por ejemplo, en un procesador con dos chiplets CPU de AMD y un chiplet GPU de otra marca. Interesante, ¿verdad? Pues esto no sería posible con un diseño de núcleo monolítico.

Obviamente también veremos soluciones más potentes y eficientes que tendrán, además, unos costes y una viabilidad mayor a nivel de oblea, gracias al valor diferencial que ofrece el chiplet.