A félvezetőipar évtizedeken át viszonylag egyszerű irányt követett: kisebb tranzisztorokból többet lehetett egy lapkára zsúfolni, így nőtt a teljesítmény, miközben csökkent az egy műveletre jutó energiaigény. Ez a fejlődés azonban egyre nehezebb és drágább. A tranzisztorok további zsugorítása ma már önmagában nem oldja meg a processzorok minden problémáját.
A modern chipek ezért nemcsak kisebb tranzisztorokra, hanem új elrendezésre, több különálló lapka összekapcsolására, függőleges építkezésre és egyre összetettebb tokozásra támaszkodnak. A teljesítmény növelése ma már legalább annyira építészeti feladat, mint gyártástechnológiai.
A kisebb tranzisztor egyre drágább
A fejlettebb gyártástechnológiák létrehozásához rendkívül összetett gyártóberendezésekre, új anyagokra és pontosabb folyamatokra van szükség. Egy modern félvezetőgyár felépítése és felszerelése már hatalmas beruházást jelent, miközben egyetlen új csúcskategóriás chip megtervezése is rendkívül költséges lehet.
A kisebb tranzisztoroknál ráadásul nehezebb kordában tartani az elektromos szivárgást és a hőtermelést. A lapka egyre több alkatrészt tartalmazhat, de ezek nem működtethetők mind egyszerre maximális teljesítménnyel anélkül, hogy a fogyasztás túl magasra emelkedne.
A gyártási hibák is fontosak. Minél nagyobb egyetlen szilíciumlapka, annál nagyobb az esély arra, hogy valamelyik területén hiba keletkezik. Ha egy hatalmas processzormagból álló lapkán egy kritikus rész hibás, az egész chip értéke csökkenhet.
Ez az egyik oka annak, hogy a gyártók elkezdték kisebb részekre bontani a processzorokat.
A chiplet több kisebb lapkából épít egy processzort
A chiplet-alapú kialakításnál a processzor nem feltétlenül egyetlen nagy szilíciumdarab. Több kisebb lapka kerül ugyanabba a tokozásba, és nagy sebességű összeköttetés kapcsolja őket össze.
Az egyes chipek eltérő feladatokat is kaphatnak. Külön lapkán lehetnek a processzormagok, máshol a memória- vagy I/O-vezérlők, esetleg grafikus vagy gyorsítóegységek.
Ennek egyik nagy előnye, hogy nem kell minden alkatrészt ugyanazzal a legdrágább gyártástechnológiával készíteni. A nagy teljesítményt igénylő processzormagok kerülhetnek fejlettebb gyártósorra, miközben egy kevésbé érzékeny vezérlő régebbi, olcsóbb technológiával is elkészíthető.
A kisebb lapkák gyártási kihozatala is kedvezőbb lehet. Ha egy chiplet hibás, nem feltétlenül vész kárba egy teljes, hatalmas processzorlapka.
A chiplet tehát nem egyszerűen több chip egymás mellett, hanem egy módszer arra, hogy a processzort moduláris részekből lehessen felépíteni.
A lapkák közötti kapcsolat lett az új szűk keresztmetszet
A chipleteknek ára is van. Egyetlen monolitikus lapkán belül az áramkörök nagyon rövid vezetékeken kommunikálnak. Ha a rendszer több különálló lapkára bomlik, az adatoknak át kell haladniuk a chipletek közötti összeköttetésen.
Ennek elég gyorsnak kell lennie ahhoz, hogy a különálló részek ne várakozzanak egymásra. A kapcsolat késleltetése, sávszélessége és energiaigénye ezért kulcsfontosságúvá vált.
A modern tokozási technológiák célja, hogy a külön lapkákat a lehető legközelebb helyezzék egymáshoz. Ehhez rendkívül sűrű vezetékeket, köztes hordozókat és speciális összeköttetéseket alkalmaznak.
A processzor teljesítményét így már nem lehet kizárólag abból megítélni, milyen fejlett gyártási eljárással készül. Ugyanilyen fontos, hogyan kommunikálnak egymással a különböző részei.
Ha elfogy a hely oldalirányban, lehet felfelé építkezni
A lapkák nemcsak egymás mellé, hanem egymás fölé is kerülhetnek. A háromdimenziós tokozás lehetővé teszi, hogy egy újabb réteg közvetlenül egy másik fölött helyezkedjen el.
Ennek egyik ismert alkalmazása a processzor fölé helyezett extra gyorsítótár. Ahelyett, hogy nagyobb alapterületű processzort készítenének, további memóriaréteget építenek fölé. Így sokkal több gyorsítótár kerülhet fizikailag közel a processzormagokhoz.
A függőleges kialakítás más területeken is megjelenik. A nagy sávszélességű HBM memóriánál több memórialapkát helyeznek egymás fölé, és rendkívül széles kapcsolaton kötik őket a számítási egységhez.
A háromdimenziós építés egyik fő problémája a hő. Az alsó réteg által termelt hőnek több anyagrétegen keresztül kell távoznia, miközben a felső lapka is melegedhet. Emiatt nem lehet korlátlanul egymásra rakni a nagy fogyasztású egységeket.
A tokozás már a chiptervezés része
Korábban a tokozás elsősorban azt jelentette, hogyan kerül a kész szilíciumlapka kapcsolatba az alaplappal. Ma már maga a tokozás is meghatározhatja a processzor felépítését.
Egy modern chipben külön számítási, grafikus, memória- és kommunikációs lapkák kerülhetnek nagyon közel egymáshoz. Ezek együtt működnek úgy, mintha egyetlen összetett processzor részei lennének.
A következő évek fejlődését ezért nem kizárólag az dönti el, mennyivel kisebb tranzisztor készíthető. Legalább ilyen fontos lesz, hogy hogyan lehet különböző technológiával gyártott lapkákat gyorsan, energiatakarékosan és gazdaságosan összekapcsolni.
A kisebb tranzisztor továbbra is fontos, de már nem az egyetlen út a gyorsabb chipekhez. A modern félvezetőipar egyre inkább arra épít, hogy a megfelelő feladatot a megfelelő lapka végezze, majd ezeket egyetlen, szorosan együttműködő rendszerbe csomagolják.
Fotó: Magnific
