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Chiplet: Qué es y para qué sirve

¿Qué es un chiplet?, seguramente es una de las preguntas que te estás haciendo si has llegado aquí. Y es que es un término que cada vez se escucha más en el ámbito de la tecnología de CPUs y también GPUs principalmente. No es nada nuevo, pero nunca ha sido tan importante como en la actualidad, y lo seguirá siendo en un futuro próximo. No obstante, esta técnica tiene ya sucesores muy prometedores, ya que no está exenta de desventajas.

¿Qué es un chiplet?

qué es un chiplet
Fuente: Wikipedia – Procesador AMD EPYC

Un chiplet no es más que un bloque de circuito integrado, o chip, que ha sido diseñado para poder trabajar con otros similares o idénticos a él. De esta forma, se sustituye a un chip de superficie mayor o más complejo por varios chips más reducidos.

Motivación

El motivo por el que se comenzaron a usar los chiplets tiene relación con el crecimiento de los chips y el yield o rendimiento de fabricación. Una de las primeras veces que se usaron para procesadores comerciales fue en los AMD Zen, como anunció la Dra. Lisa Su en 2017.

Conforme las foundries han ido mejorando los nodos de fabricación para crear componentes cada vez más y más pequeños, los chips de alto rendimiento han ido aumentando en complejidad y superficie, por lo que los costos no han dejado de aumentar. Por este motivo, fabricar chips monolíticos más grandes es cada vez menos viable a nivel económico. De aquí que se decidiera usar diseños basados en chiplets, dividiendo un sistema complejo en varios más pequeños y sencillos.

Ten en cuenta que con un tamaño de die de aproximadamente 18 x 20 mm de tamaño, que sería un chip mediano, tiene una superficie de 360 mm², y eso hace que en un wafer de 300 mm de diámetro se puedan fabricar en torno a 150 chips. Si se divide dicho diseño en cuatro chiplets de 9.5×10.5 mm, se obtiene aproximadamente unos 99 mm², lo que da como resultado que se podrían fabricar hasta 622 chips en una oblea.

Esto hará que el yield se multiplique en el segundo caso, es decir, que de como resultado más chips funcionales que en el primer caso. Por tanto, se pueden reducir costes de esta forma. ¿Cómo? En la siguiente imagen lo puedes ver de forma más intuitiva:

Yield de wafer

En esta imagen se aprecia lo siguiente:

  • Los 3 wafers son de igual tamaño, supongamos 300 mm.
  • Sin embargo, el tamaño de los chips son distintos en los tres casos:
    1. 40×40 mm en el primer caso.
    2. 20×20 mm en el segundo caso.
    3. 10×10 mm en el tercer caso.
  • El yield resultante es de:
    1. 35.7% en el primer caso.
    2. 75.7% en el segundo caso.
    3. 94.2% en el tercer caso.
  • Los chips buenos están marcados en tono gris oscuro y son:
    1. 10x die en buen estado.
    2. 103x die en buen estado.
    3. 620x die en buen estado.
  • Los chips defectuosos están marcados en verde:
    1. 18x die defectuoso.
    2. 33x die defectuoso.
    3. 38x die defectuoso.
  • Total de chips por oblea:
    1. 28x die/wafer.
    2. 136x die/wafer.
    3. 658x die/wafer.

Sabías que el binning es una técnica para tratar de aprovechar la mayor cantidad posible de chips de una oblea o wafer. Para ello, una vez se han fabricado, se someten a una serie de pruebas. Los defectuosos que no funcionan en absoluto se desechan, pero algunos chips que pueden tener alguno/s de sus núcleo/s intactos, se aprovechan. También los que no pueden trabajar a frecuencias tan elevadas se pueden remarcar. ¿Por qué crees que existen Intel Celeron, Pentium, Core i3, Core i5 y Core i7?  Todos los chips de la oblea se crean para ser i7, pero no todos logran serlo…

Como se puede deducir, a inferior tamaño del chip, mayor productividad, desperdiciando menos chips y pudiendo abaratar costes al producir mayor cantidad por cada oblea. Además, debes considerar que la Ley de Moore pronostica el crecimiento de la complejidad, y la aparición de los multinúcleo ha empeorado aún más la situación. Solo con reducir los nodos no se pueden mantener los tamaños de chips, con el consiguiente incremento de precio.

Parece ser que la tendencia de los chiplets irá más allá de las CPUs y GPUs, llegando también a otros sectores como los chips de automoción, memorias, etc., transformándose en una tendencia.

Diferencias con MCM

empaquetado MCM
Fuente: Wikipedia – IBM  POWER6

Existe un tipo de packaging que se ha usado durante años denominado MCM (Multi Chip Module), es decir, un tipo de ensamblaje que emplea varios chips sobre un sustrato e interconectados entre sí, compartiendo pines o pads de conducción.

Los procesadores IBM POWER han venido usando empaquetados MCM, y ahora también lo ha hecho AMD para sus últimos procesadores. Y si te preguntas la diferencia, lo cierto es que MCM es un término para designar a la forma de packaging y chiplets se refiere a los chips en los que se divide un sistema. Dicho de otro modo, cada IC es un subconjunto funcional del sistema completo, y se denomina chiplet. Todos los chiplets agrupados completarán el conjunto completo.

Por ejemplo, un AMD EPYC está dividido en chiplets, pero a su vez emplea un empaquetado MCM. Intel también ha empleado este tipo de empaquetado en algunos casos, como al integrar sus GPUs junto con las CPUs, una estrategia diferente a la seguida por AMD en sus APUs. Más casos los tienes en las GPUs AMD Radeon Instinct MI200, en las Intel Xe Ponte Vecchio, etc.

En cuanto a las partes que se aprecian en este tipo de empaquetado:

  • Chiplets: son los chips en los que se ha dividido el sistema. Los subsistemas pueden ser de diversos tipos, como memoria, unidades de procesamiento, unidades de comunicación, etc. Por ejemplo, en el IBM POWER6 de la imagen anterior, se divide en:
    • Cores de la CPU
    • Chips de caché L3 off-die
  • Interposer: es el sustrato o PCB que interconecta los circuitos integrados o chiplets. A menudo es de material orgánico. En el caso del IBM POWER6 es la zona marrón.
  • Otros: también es frecuente ver componentes de montaje superficial sobre el interposer, como resistencias, condensadores, etc. Puedes ver en el IBM POWER6 todos los componentes SMD que rodean a los chips.

Es interesante destacar que los chiplets y los nuevos sistemas de empaquetado van a permitir integrar chips tan interesantes como procesadores diversos, memorias, FPGAs programables para usar como aceleradores dedicados, etc., es decir, la denominada computación heterogénea.

Ventajas y desventajas de un chiplet frente a un chip monolítico

Intel Skylake monolítico

No todo son ventajas en el caso de los diseños MCM o chiplets, también tienes sus inconvenientes comparados con los monolíticos, donde todo el sistema está integrado en un solo chip.  Entre las ventajas de los chiplets están:

  • Minimizar el tiempo de diseño.
  • Reducir los costes, aumentando el yield.
  • Posibilidad de usar mayor cantidad de memoria o más núcleos de procesamiento. Es decir, más escalables al ser modulares.
  • Posibilidad de usar varios nodos de fabricación en los distintos chiplets e incluso diferentes familias lógicas, e incluso diferentes semiconductores (Si, SiGe, GaN, GaAs, InP,…).

En el caso de las desventajas de los chiplets están:

  • Mayor latencia de comunicación entre unidades.
  • Necesidad de interposers más complejos.
  • Implementación de lógica de comunicación.
  • El fallo en la conexión de un die puede suponer que todo el dispositivo deje de funcionar.

Actualmente se están desarrollando y comenzando a comercializar algunas soluciones que tratarán de eliminar esas desventajas de los chiplets, pero conservando las ventajas que aporta este paradigma de división. Me refiero a los nuevos empaquetados 2.5D y 3D, en los que se apilan los chips y se consiguen latencias similares a las de un monolítico, pero se puede seguir fabricando cada chip apilado por separado. Un ejemplo lo tienes en la 3D V-Cache, donde se colocan chips con la memoria caché de mayor tamaño sobre las unidades de procesamiento.

El problema de este tipo de tecnología es que aún falta estandarización, ya que cada fabricante está empleando sus propios métodos. Por tanto, si en un futuro se necesitase empaquetar chips de diferentes fabricantes en un mismo dispositivo, no serían compatibles. Seguro que has escuchado términos como Intel Foveros, Intel EMIB, TSMC LSI, TMSC CoWoS, etc., todos ellos con algunas diferencias…

Chips monolíticos: ventajas y desventajas

Los chips monolíticos, al igual que los chiplets, también tienen sus ventajas y desventajas que resumo aquí:

  • Ventajas de los circuitos integrados monolíticos:
    • Tamaño más reducido de empaquetado, por lo que es más positivo para dispositivos móviles o embebidos donde el tamaño escasea.
    • Menos complejidad en el empaquetado y, por tanto, más barato.
    • Mejor fiabilidad debido a que intervienen menos partes (menos pistas conductoras, soldaduras, etc., que pueden fallar).
    • Puede implicar un menor consumo de energía.
    • La transferencia de datos entre las distintas partes son más rápidas y con menor latencia dada su cercanía y que todos las unidades suelen trabajar a igual frecuencia.
    • Elimina la necesidad de lógica adicional para coordinar los diferentes chiplets.
  • Desventajas de los circuitos integrados monolíticos:
    • Costes de fabricación más altos que los chiplets debido al inferior yield.
    • Mayor potencia de disipación concentrada.
    • Si solo un transistor o interconexión falla, todo el CI deja de funcionar.
    • Inferior flexibilidad y escalabilidad.

Conclusión acerca del chiplet

Aunque los chiplets y empaquetados MCM tengan sus ventajas, algunos diseños como los SoCs, aún intentan mantenerse como chips monolíticos, dado que se mejoran las velocidades. No se puede decir que los chiplets sean o dejen de ser el futuro de los chips de alto rendimiento, más bien el futuro será una hibridación entre diferentes tecnologías.

Los chiplets no son incompatibles con otras tecnologías como la 2.5D o la 3D, de hecho, se pueden usar interposer de sustrato orgánico como en el MCM, y también interposer de silicio más pequeños para chips apilados.

Por un lado veremos chiplets y MCM packaging, a la par que esos chiplets se componen de pilas de circuitos integrados (2.5D/3D) para acercar la memoria y la lógica para reducir las latencias, que actualmente son un cuello de botella entre la CPU y la memoria RAM. Además de todo esto, también llegarán otras tecnologías que podrían ayudar a disparar el rendimiento aún más, como son las interconexiones ópticas, para transferencias de datos mucho más rápidas. Algo similar al cambio de los cables de cobre a la fibra óptica en las líneas telefónicas.

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Y con la llegada del techo de la tecnología del silicio, todas estas tecnologías se volverán cada vez más importantes. Aunque se deberán solventar algunos retos, como la disipación de potencia cuando el nivel de integración es tan denso. La famosa afirmación de hace décadas de «Más pequeño, más rápido y más barato» costará cada vez más.

Isaac Romero Torres

Más de una década trabajando en el ámbito de la investigación sobre arquitecturas y microarquitecturas de CPUs, de la electrónica, la lógica digital, de los sistemas operativos Unix (con los que trabajé como asesor para algunas empresas), programación de MCUs, PLCs, hacking, etc.
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