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克服运算密度挑战 Chiplet扮演关键角色

时间:2022-02-05 05:52:53 作者:Balaji Baktha,Ventana Micro Systems创办人暨执行长 阅读:
采用最新的工艺节点已提供所需运算密度势在必行,但这么一来,传统的单体SoC会因为日益提升的成本和上市时间的挑战,导致经济效益不佳,而存在一个既有的劣势。为解决这个困境,以Chiplet为基础的整合策略便诞生了...
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数据中心的工作负载正快速演进,需要高运算密度与不同的算力、内存和I/O能力组合。这使得相关架构从一体适用的单一解决方案转向功能分散,以便为特定应用个别进行扩充。

采用最新的工艺节点已提供所需运算密度势在必行,但这么一来,传统的单体SoC会因为日益提升的成本和上市时间的挑战,导致经济效益不佳,而存在一个既有的劣势。为解决这个困境,以小芯片(Chiplet)为基础的整合策略便诞生了,其算力可以得益于最先进的工艺节点,而特定应用的内存和I/O整合就能够利用较成熟的旧工艺节点。

此外,将一个解决方案分解成可组成的部分,为伙伴的生态系统开启了一扇门;它们可以独立地开发优化的Chiplet,且能将它们异质化地组合并搭配成许多高度差异化且具成本效益的解决方案。

Chiplet方法取得了一个平衡的折中,它能够超越单体化的方法,从一套可组合的Chiplet功能中,提供大量的特定领域解决方案。运算Chiplet往往能快速地采用最先进的工艺节点,以实现最佳效能、功耗和面积(PPA)。在另一方面,内存和I/O是利用混合讯号功能,从最新节点获益较少,而且需要较长的验证周期;如此一来,以采用成熟工艺节点的Chiplet进行整合会更有优势。

由于内存和I/O配置通常是针对特定工作负载的,在一个更具成本效益的节点上进行Chiplet整合,会是一个高价值且更具差异化的SoC开发。另外一方面,运算Chiplet更具通用性、能够在更广泛的应用中摊销所需的先进的节点成本。最后,一个系统整合者能够混搭不同的Chiplet,以解决广泛的应用和产品型号,不需负担新芯片设计带来的高成本。

对典型的高性能CPU设计而言,这些优势能够让每个产品节省至少2,000万美元并缩短大约2年左右的上市时间。这些成本的节约是来自于IP授权费用、光罩组合、EDA工具和开发投入等方面的费用减少。相较于单体化方法,上市时间缩短的优势是因为显著降低了将一个解决方案整合、验证和商品化的复杂性。最后,整合Chiplet的所需的封装技术已经成为主流,不会为生产更具成本效益的产品大幅增加风险。

要让一个具有多供货商的Chiplet的方法成为主流,有两件事情需要特别留意:一是Chiplet之间需要一个开放且标准化的裸晶对裸晶(die to die,D2D)界面;二是要有一个由特定功能Chiplet所组成的生态系统,能够立即进行整合以因应不同的应用。产业领导者正在投入资源和努力,以确保这两点能在不久的将来被妥善地解决。

开放运算计划(Open Compute Project)下的开放领域特定架构(Open Domain-Specific Architecture,ODSA)工作小组正在进行D2D的标准化工作,确保该标准能够被有效运用于从数据中心内部到5G网络边缘的各种应用。

有多家供货商带来他们高度可携的D2D线束(Buch-of-Wires,BoW)PHY技术,以提供Chiplet之间的电气物理层。在PHY的顶部,Ventana已经打造出一个轻量的连结层(Link Layer),能在Chiplet接口有效地传输标准互连协议。

将解决方案分解成Chiplet上各种可组合功能的优点,高度仰赖D2D接口属性达成性能-功耗-成本之间的妥善权衡。BoW被视为具说服力的解决方案,因为能以较低的成本,提供高带宽、低延迟、低功耗;此外,它的电路复杂度很低,能够被多个客户和产品线广泛采用。其初始接口配置是提供128GB/s原始带宽,以及小于8ns的延迟和低于0.5pJ/bit的有效功耗。

除此之外,一个围绕着D2D Chiplet界面的丰富生态系正在形成,数家老牌供货商正致力于开发一系列高速序列和处理架构,可望支持一个广泛的解决方案市场。除了数据中心,发展中的伙伴生态系也正聚焦于其他高成长性的市场领域,例如5G基础建设、边缘运算、车用和终端客户装置。

RISC-V可延展的指令集架构(ISA)提供了一个稳固的基础,透过与一个统一的软件架构之结合,带来领域特定的加速发展。这也是Ventana Micro Systems这家公司的成立宗旨,我们想把RISC-V带到高效能CPU产品领域,结合数据中心等级的处理器,因应超大规模数据中心业者与企业应用客户的特定需求。我们选择在一个伙伴生态系统中扮演领先者,开创一个以Chiplet为基础的方法,以推动该技术被快速采用。

我们已经证明了运算Chiplet方案能够在一个整合性Chiplet设计当中,处理并执行客制化的指令。这个方法为支持各种解决方案提供了弹性,客户能够选择在一个不同的Chiplet中保有它们的差异化技术,或着直接与Ventana合作以实现更佳的整合。

要促成诸如分布式服务器、异质运算,以及数据中心内领域特定加速作业和其他高速成长市场的颠覆性趋势,以Chiplet为基础的整合是不可或缺又非常合适的方法。除了能快速获得市场采用以掌握新兴趋势,该方案相较于传统的单体SoC,提供了显著的成本和上市时间优势。进而促成了这些新兴趋势的快速采用。

在ODSA工作小组进行的DSD接口标准化行动,将催生一个丰富的生态系,以支持透过Chiplet实现的独特、具差异化的整合。而RISC-V ISA的可扩展性,也将藉由利用已经准备好量产的运算Chiplet和支持生态系,在创纪录的时间内释放领域特定的加速。

本文同步刊登于中国台湾版《电子工程专辑》杂志2021年11月刊

(参考原文:Chiplet Strategy is Key to Addressing Compute Density Challenges,By Balaji Baktha)

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