Ci stiamo avviando verso la fine dei processori a chip singolo?

Apple ha sorpreso ancora una volta con l'annuncio dell'M1 Ultra, una variante del processore M1 Max che combina efficacemente due chip in uno.

I processori a singolo chip stanno raggiungendo il loro limite

Apple ha sorpreso ancora una volta fan e analisti con l’annuncio dell’M1 Ultra, una variante dell’M1 Max che combina efficacemente due chip in uno. Di conseguenza, il software vede un design a doppio chip come un singolo pezzo di silicio.

Nvidia ha fatto un annuncio simile durante la GPU Technology Conference 2022, dove il CEO Jensen Huang ha dichiarato che la società combinerà due dei suoi nuovi processori Grace CPU in un unico “Superchip”.

Queste iniziative sono tuttavia rivolte a mercati diversi. Apple prevede di competere nei mercati delle workstation consumer e professionali, mentre Nvidia vuole competere nel calcolo ad alte prestazioni.

Pur con scopi diversi, tuttavia, questi annunci sottolineano i grandi sforzi che stanno rapidamente portando a termine l’era della progettazione di chip monolitici.

Il concetto di design multichip non è nuovo, ma ha guadagnato popolarità negli ultimi cinque anni. A vari livelli, AMD, Apple, Intel e Nvidia si sono tutte impegnate nella sperimentazione. Con i suoi processori EPYC e RYZEN, AMD ha perseguito la progettazione di chiplet. Intel intende seguire l’esempio con Sapphire Rapids, un’imminente architettura server basata su chiplet noti come “tiles”. Apple e Nvidia si sono ora unite alla mischia, anche se con progetti rivolti a mercati diversi.

La sfida della moderna produzione di chip è orientata al passaggio verso la progettazione multichip. Sebbene la miniaturizzazione dei transistor sia rallentata, la crescita del loro numero nei progetti di avanguardia non mostra segni di rallentamento.

L’M1 Ultra di Apple ha 114 miliardi di transistor e un’area die (o area di fabbricazione) di circa 860 millimetri quadrati (una cifra ufficiale per l’M1 Ultra non è disponibile, ma un singolo chip M1 Max ha un’area del die di 432 mm2).

Il numero di transistor della CPU Grace di Nvidia è sconosciuto, ma sappiamo che la GPU Hopper H100 annunciata insieme alla CPU Grace ha 80 miliardi di transistor.

In confronto, il processore EYPC Rome a 64 core di AMD, rilasciato nel 2019, ha 39,5 miliardi di transistor.

M1 Ultra di Apple è un design a doppio chip che il software vede come un singolo pezzo di silicio.
M1 Ultra di Apple è un design a doppio chip che il software vede come un singolo pezzo di silicio.

Questo elevato numero di transistor spinge la moderna produzione di chip ai suoi limiti, rendendo il design multichip più attraente.

“Man mano che le dimensioni degli stampi di fabbricazione dei chip diventano più grandi e i problemi di resa dei wafer diventano più importanti, il packaging di moduli multichip ha permesso ai produttori di fornire una migliore efficienza energetica e prestazioni [rispetto] ai progetti monolitici”, ha detto Akshara Bassi, analista di ricerca presso Counterpoint Research, in una e-mail.

A parte Cerebras, una startup che sta tentando di costruire chip che coprono l’intera larghezza di un wafer di silicio, l’industria dei chip sembra concordare sul fatto che il design monolitico sta diventando più problematico di quanto valga la pena.

Questo spostamento verso i chiplet si è verificato congiuntamente al supporto dei produttori. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. è la leader di mercato, fornendo la suite di packaging avanzato 3DFabric.

Le tecnologie 3DFabric sono utilizzate da AMD in alcuni progetti di processori EPYC e RYZEN e sono quasi certamente utilizzate da Apple nell’M1 Ultra (Apple non lo ha confermato, ma l’M1 Ultra è prodotto da TSMC). Intel ha invece sviluppato le proprie tecnologie di packaging, tra cui EMIB e Foveros. Sebbene fosse stata inizialmente progettata per l’uso interno di Intel, la tecnologia di produzione di chip dell’azienda è ora rilevante per tutto il settore in quanto Intel Foundry Services ha aperto le sue porte.

“L’ecosistema attorno alla progettazione, produzione e confezionamento di semiconduttori è progredito fino al punto di supportare in modo economico e affidabile soluzioni basate su chiplet”, ha affermato Mark Nossokoff, analista senior di Hyperion Research, in una e-mail. “Anche gli strumenti di progettazione software per integrare perfettamente le funzionalità dei vari chiplet sono maturati per ottimizzare le prestazioni mirate della soluzione”.

I chiplet sono qui per restare, ma per il momento il mondo è diviso in silos. AMD, Apple, Intel e Nvidia utilizzano tutti progetti di interconnessione personalizzati su misura per specifiche tecnologie di packaging.

L’iniziativa Universal Chiplet Interconnection Express mira a riunire il settore. Questo standard aperto, che è stato annunciato il 2 marzo 2022, offre un pacchetto 2D “standard” che si concentra su “prestazioni convenienti” e un pacchetto “avanzato” che si concentra su progetti all’avanguardia. UCIe supporta anche connessioni off-package tramite PCIe e CXL, consentendo la connessione di più chip su più macchine in un ambiente di elaborazione ad alte prestazioni.

UCIe è un inizio, ma il futuro dello standard è sconosciuto. “I membri fondatori tra i promotori iniziali di UCIe rappresentano un elenco impressionante di esperti in una vasta gamma di aree di progettazione e produzione tecnologica, incluso l’ecosistema HPC”, ha detto Nossokoff, “ma un certo numero di importanti organizzazioni, tra cui Apple, AWS, Broadcom, IBM, NVIDIA, altre fonderie di silicio e fornitori di memoria, non hanno ancora aderito”.

Nvidia, secondo Bassi, potrebbe essere particolarmente riluttante a partecipare. L’azienda ha reso disponibile la propria interconnessione NVLink-C2C per l’integrazione personalizzata del silicio, posizionandola come potenziale concorrente di UCIe.

Tuttavia, mentre il destino delle interconnessioni come UCIe e NVLink-C2C determinerà le regole del gioco, è improbabile che il gioco stesso cambi. M1 Ultra di Apple potrebbe essere un punto di svolta. Il design multichip non è più riservato ai data center ma sta arrivando anche nei computer casalinghi.

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