¿Qué es un chiplet? ¿Cómo mejora el diseño de los procesadores?

Mario Cruz, 11 junio 2019

La ley de Moore dice que cada dos años se duplica el número de transistores en un microprocesador. Pero, aunque se ha cumplido durante casi 50 años, desde el año 2012 nos hemos alejado un poco de las predicciones: el progreso de los procesadores se ha ralentizado.

Esto es debido a que la construcción cada vez más pequeña de los transistores conlleva un aumento de la complejidad en el proceso de fabricación. Y sino que se lo digan a Intel y su lucha con los 10 nm (nanómetros).ref

AMD, aunque no ha tenido tantos problemas con la fabricación en 10 nm, también se ha dado de bruces con los costes de fabricación. En el siguiente gráfico podemos ver cómo los costes se dispararon cuando los transistores disminuyen de los 14 nm.

El coste por mm cuadrado de circuito integrado se dispara en el proceso de fabricación en 7 mm

¿Qué son los chiplets?

Para abaratar los costes los nuevos procesadores estarán hechos de partes más pequeñas, llamadas chiplets, en vez de un chip único y grande.

  • Los chiplets son componentes independientes que se agrupan para construir un chip más grande.
  • Los chiplets son más pequeños y son más fáciles y baratos de fabricar.
Un procesador compuesto por varios chiplets

Hasta ahora, los procesadores se fabricaban con arquitectura monolítica. El diseño monolítico significa que todos los componentes del procesador (ALU, AGU, CU, cache, etc.) están fabricados juntos y en contacto. Por lo que, si alguno de esos circuitos falla, todos quedan inservibles.

A medida que los transistores se han hecho más pequeños, el número de fallos por oblea ha ido aumentando; haciendo que el coste de fabricación sea cada vez mayor (como hemos visto).

Por otro lado, como los chiplets son fabricados de manera independiente del resto de componentes del procesador, si un chiplet falla no hay que tirar todo el procesador, se sustituye por otro y solucionado.

Lo podríamos asemejar a, ¿qué es más fácil?: construir un coche sin ningún fallo o construir el motor del coche sin ningún fallo.

Lógicamente, es más fácil construir una parte más pequeña sin fallos que el conjunto total. Y si el coche no se puede reparar, como en el caso de los procesadores, lo tienes que tirar entero y el coste económico se dispara.

En realidad, no es necesario tirar los procesadores que no hayan salido perfectos, porque los fabricantes pueden deshabilitar los núcleos que no funcionen correctamente y venderlos como un procesador de gama más barata. Pero no es una buena solución para el fabricante.

Una ventaja más de la fabricación mediante chiplets es que se puede mejorar el binning de los núcleos. Esto significa que podemos juntar los núcleos de manera más homogénea.

Otro problema de la arquitectura monolítica es que la frecuencia final del procesador viene limitada por la frecuencia máxima del núcleo más lento del procesador. De esta manera, si un procesador tiene varios núcleos y todos alcanzan los 4,5 GHz menos uno que solo alcanza los 4 GHz, el procesador tendrá que funcionar a 4 GHz.

Los chiplets permiten al fabricante juntar los núcleos de manera más homogénea (juntar todos los núcleos buenos con los buenos y los malos con los malos) para conseguir un mejor rendimiento económico.

Inconvenientes

El mayor problema que tiene la fabricación mediante chiplets es que los diferentes circuitos no se encuentran en contacto directo, por lo que aumenta el tiempo que tardan los datos en viajar de un chiplet a otro. Es lo que se conoce como lag o latencia.

Esta latencia puede disminuir el rendimiento global del procesador.

Arquitecturas de AMD e Intel

En este 2019 se están viendo movimientos muy interesantes, tanto de AMD como de Intel, para implementar los chiplets en sus procesadores. Gracias a ello, los procesadores de este año tendrán un aumento de potencia muy significativo respecto a los modelos de los últimos años.

Por su parte, AMD ha implementado los chiplets de I/O y de control de memoria con transistores de 14 nm, mientras que los núcleos estarán fabricados con transistores de 7 nm. De esta manera, ha conseguido que su tercera generación de procesadores Ryzen escalen mejor y permitan alcanzar un overclock más agresivo.

Intel espera lanzar al mercado a finales de 2019 sus primeros procesadores fabricados con chiplets (Sunny Cove, Willow Cove y Golden Cove), aunque todo apunta a que irán destinados a la gama portátil. Su diseño, Foveros 3D, apuesta por apilar los chiplets de manera vertical. Lo que tiene la ventaja de disminuir el tamaño total del procesador y reducir la latencia (porque los chiplets están en contacto directo). Sin embargo, su diseño presenta problemas a la hora de disipar el calor generado. Por lo que de momento no implementarán esta construcción en los procesadores tope de gama.

Fuentes

  1. en.wikichip.org
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