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Chiplet y MCM, el diseño para CPU y GPU que ha impulsado AMD

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Ángel Aller.30 de septiembre de 2023

Aunque Intel y NVIDIA miraran con cara rara, la segunda ya se plantea elegir un diseño chiplet o MCM para sus RTX 5000. ¡Conócelo!

chiplet mcm

Qué es el diseño chiplet

El diseño chiplet es caracterizado por tener un die en el que se integran varios módulos que están interconectados, sirviendo tanto para CPU como para GPU. AMD apostó por este diseño con el debut de los Ryzen en 2017 y una arquitectura Zen. Lo contrario al diseño chiplet es el diseño monolítico, que tanto ha abanderado Intel, aunque ahora ha cambiado.

En una estructura chiplet tenemos varios “complejos” o “encapsulados” en un mismo chip, que están separados y que atienden a una función específica. Por ejemplo, en los procesadores AMD actuales vemos 2 encapsulados:

  • Los CCD (suelen ser 2), que es donde se encuentran los núcleos del procesador y la memoria caché L1, L2 o L3.
  • IOD, que es el módulo donde están las conexiones de entrada y salida: AMD Infinity Fabric, la iGPU, el controlador DDR5, USB 3.5, PCI-Express 5.0, etc.

diseño chiplet

El Red Team ha venido diferenciando el proceso de fabricación entre uno y el otro módulo, por una mera cuestión de costes e importancia. Cuando leemos que los “Ryzen 7000 tienen un proceso de 5 nm”, se hace referencia al CCD, no al IOD porque tiene una litografía distinta.

Ahora bien, para que un diseño chiplet funcione en una CPU o GPU, se necesita una litografía avanzada: 12 nm o menos. Conforme hemos ido demandando más potencia en los procesadores, se han tenido que aumentar la densidad de transistores. Para hacer posible esto, era esencial avanzar de proceso, así que AMD tuvo que asociarse con TSMC porque era el único fabricante de semiconductores que podía ofrecer esa escalabilidad.

Porqué un diseño chiplet era necesario en CPU y GPU

chiplet diseño

Empecemos por los procesadores, y es que la idea es dividir el chip en bloques, que no deja de ser el planteamiento de un SoC. Sin embargo, en un procesador con diseño chiplet tenemos varios “SoCs”, ya habéis visto la cantidad de funciones que se agrupan en cada complejo de los AMD Ryzen 7000.

A su vez, los chiplets son más baratos de fabricar porque cuando recurrimos al diseño monolítico, tenemos que agrupar todos los componentes del procesador juntos en un mismo die. Además, conforme se ha ido aumentando la densidad de transistores por chip, se ha dado paso a más riesgo de fallo por die. 

De hecho, el diseño chiplet se puede implementar en un SoC, no hay que confundirlo. Lo contrario al SoC es una CPU o GPU, pero cuando hablamos de diseños monolíticos o chiplet, ambos pueden estar presentes en CPU, GPU o SoC.

En este punto, debemos hablar de la Ley Moore, que es una predicción hecha por el cofundador de Intel, Gordon Moore, en 1965. Él decía que el número de transistores de un chip se doblaría cada 2 años, provocando reducciones de coste y aumentos en potencia de procesamiento.

Con el chiplet se puede ampliar esta Ley y hacer viable la progresión de rendimiento junto con la reducción de costes en fabricación de chips. ¿Cómo? Creando módulos más complejos y potentes sin tener que ponerlos juntos. Según Julio César, divide y vencerás: si aumentamos los transistores con módulos más pequeños, cumpliremos la Ley Moore.

Hay una corriente de pensamiento que dice que la Ley Moore va a llegar a su fin porque avanzar de litografía va a ser muy complicado. Dicho esto, Intel se las ha ingeniado para seguir con un proceso de 10 nm desde Comet Lake-S (hace 4 años), adoptando finalmente un diseño similar al de los SoC.

Ventajas y desventajas de los chiplets

chiplet soc

En primer lugar, el coste de desarrollo es menor y se pueden actualizar fácilmente, lo que hace viable una hoja de ruta estable con distintas arquitecturas. Se puede decir que también refrigeran mejor porque la carga de trabajo se distribuye entre los módulos, por lo que el calor no se concentra en el centro y se elimina mucho cableado de circuitería.

Adicionalmente, es un diseño interesante para dispositivos pequeños.

¿Qué hay de las desventajas de los chiplets? Pues, principalmente es la latencia que se genera por tener módulos separados; de ahí, que se trabaje una buena interconexión. Para ello, AMD inventó Infinity Fabric, para interconectar los componentes internos de una CPU o GPU. Como siempre, el Equipo Rojo siempre lo lleva a otro nivel, queriendo ampliar dicha tecnología a interconectar sistemas enteros.

La consecuencia de dicha latencia puede achacar un peor rendimiento single-core o mononúcleo, que es muy interesante en gaming. Para compensarlo, AMD puso el foco en la memoria caché y en intentar que las peticiones que se hacen a la CPU las pueda abordar la memoria de ésta, sin tener que recurrir a la RAM o a los discos duros.

Era la solución prevista para ganar rendimiento: aumentar la memoria caché L2 y L3. Sin embargo, se dieron cuenta de que había otro problema: el espacio en el chip. Pensadlo por un momento, el mm2 de un chip cuesta más que el m2 en Tokyo; el espacio es un lujo y hay que administrarlo lo más eficiente posible.

Entonces, idearon 3D V-Cache para poder ofrecer un gran rendimiento, que es una tecnología en la que se apila memoria caché de forma vertical (en torre). Hay otro problema, ¿cómo interconectas las memorias superiores con las inferiores? Mediante un interposer, un componente muy caro que interconecta todas las memorias apiladas de abajo a arriba.

Además, nos estamos metiendo en un empaquetado 3D, que es mucho más caro de fabricar. Señores y señoras, por este motivo los X3D de AMD son más caros, no es por vicio, ¡es costoso fabricarlos!

Hasta hace 2 años, AMD ganaba a Intel en rendimiento multi-core porque fue la que elevó el conteo de núcleos con los Ryzen 1000 en 2017. Ante esto, Intel contestó con un diseño de núcleos híbridos, tal y como se ve en los SoC. Hablamos de cores grandes y pequeños, donde los primeros son pura potencia (P-Cores) y los segundos son eficientes (E-Cores). De ello hablamos en el post de Intel Raptor Lake, su 13ª generación. 

Esta maniobra le permitió a Intel ganar el multi-core porque los Intel Core i5 pasaron de tener 6 núcleos y 12 hilos para tener 10 núcleos y 16 hilos, ¡con los mismos nanómetros!

MCM y diseño chiplet, ¿es lo mismo?

Según la Universidad de Málaga, un MCM es una agrupación de múltiples circuitos en un único empaquetado, quedando todos agrupados en un solo componente. Dicha tecnología fue usada previamente por Intel en sus Xeon, pero a partir de 2020 se empezó a hablar de llevarse al mercado del consumidor con las Radeon RX 6000.

MCM y diseño chiplet, ¿es lo mismo? No, lo primero es una tecnología de empaquetado, mientras que lo segundo es un diseño de chips. De ahí que AMD siempre hable de ambas cuando está hablando de chiplet.

MCM en tarjetas gráficas o GPU, ¿es el futuro?

chiplet mcm

En este ámbito no se ha hablado de chiplet hasta que AMD lo ha hecho con las Ryzen 7000; el lenguaje aquí es más MCM. ¿Por qué? Voy a dejaros boquiabiertos: NVIDIA lleva investigando el empaquetado MCM y su escalabilidad con la Universidad de Texas, la Universidad de Arizona y con la Universidad Politécnica de Barcelona durante años. Aquí podéis ver un artículo de 2017 enfocándose en ello.

En las conclusiones de dicho estudio de 2017, se dice que el desafío de construir GPUs más potentes comienza con el fin de la escala de la densidad de transistores junto con la imposibilidad de crecer más allá del área de la GPU monolítica. Por ello, proponen una GPU con MCM con una arquitectura “rookie” para comenzar los pilares de la fabricación de GPUs en el futuro y coger esa ventaja competitiva.

De hecho, lo relacionan con los sistemas NUMA, que se encuentran en el mundo de lo servidores y cuya explicación requeriría otro post separado. En las Universidades que colaboraron con NVIDIA para el estudio se dieron cuenta que una GPU con MCM podía ofrecer un aumento del rendimiento del 45.5% respecto a una GPU monolítica.

Personalmente, estuve cubriendo desde 2020 a 2022 noticias sobre arquitecturas y MCM en AMD; es más, dimos en el blanco cuando nos hicimos eco de una información que provenía de Asia en la que se mencionaba que la gama alta de RDNA 3 (RX 7000) veríamos el MCM tan ansiado.

Así ha pasado con las AMD Radeon RX 7900 XT y 7900 XTX, las primeras GPUs MCM que han llegado al mercado del consumidor. De hecho, AMD habla de diseño chiplet en su estructura, por lo que parece 2 conceptos que van a ir interrelacionados.

También se habló de MCM con NVIDIA Ada Lovelace (RTX 4000), pero finalmente se ha descartado por el momento. ¿Y con las RTX 5000? Pues, NVIDIA parece que va a postar por el MCM en sus Blackwell GB100 para centros de datos; y si algo sé, es que muchas de las cosas que adoptan en sus GPUs profesionales acaban en GeForce.

Por tanto, mi apuesta es que sí, el empaquetado MCM va a ser la apuesta de futuro en tarjetas gráficas.

¿Qué no quieres esperar? Pues hazte con una GPU de esta tecnología, y disfrútala en tu PC.

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