チップレット: Intel と Nvidia を超える AMD と Apple の小さな革命

2017 年以来、AMD はチップ設計の大きな変更、つまりモノリシック設計からコンセプトへの移行のおかげで、Intel に対する最前線に戻ってきました。チップレット。同社は 2022 年に、Nvidia が独占する GPU の世界でこの偉業を再現しようとしています。将来リファレンス設計となる可能性のあるこの設計変更を振り返ります。

モノリシックなデザイン

基本的に、マイクロプロセッサは、その設計という点では PC の最も古い要素の 1 つであり、コンピュータ上で起こっているすべてのことを制御する命令セットを実行することを目的とした論理ゲート (その機能はトランジスタによって実行されます) のアセンブリです。 1971 年と一般向けに販売された最初のマイクロプロセッサと考えられる Intel 4004 のリリース以来、テクノロジーと製造プロセスは確かに進化してきましたが、この論理ゲートのアセンブリの基本的な考え方は常に同じままです。

マイクロプロセッサの基本原理の 1 つは、そのすべての機能 (レジスタ、コントローラ、さらには UAL) を単一の回路、つまり、いわゆるモノリシック設計に統合することです。で大人気CPUこの哲学は、長年にわたって私たちの PC に採用されてきましたが、単一のプロセッサ内で複数の集積回路 (チップレットと呼ばれる) を使用するという新しい方法に直面して、ますます見られるようになりました。

MCM (マルチチップ モジュール) とも呼ばれるこれらのプロセッサには、いくつかの利点があり、特に、メーカーが多かれ少なかれ低コストで提供される CPU モデルのモジュール性を高めることができるという利点があります。これにより、AMD は 2017 年以来、印象的な Ryzen で CPU 市場でついに Intel を追い抜くことができました。メーカーは、この技術を使用して、Nvidia が独占する GPU の世界でこの偉業を再現するという決意を発表しました。しかし、その価値をより深く理解するには、まずプロセッサがどのように作られるかに戻る必要があります。

ねえお父さん、プロセッサーはどうやって作るの？

プロセッサの集積回路（と呼ばれます）死ぬ）は大きなシリコンウェーハ（と呼ばれます）から作られていますウエハース）その上に、トランジスタを構成するさまざまなトラックがエッチングされる前にエッチングされます。死ぬそれ自体が切り取られているウエハースプロセッサーに組み込まれます。したがって、紫外光を介してダイ上にトラックを印刷する彫刻は、ダイ上のトランジスタの数と配置を定義します。

そして、明白なことを言うのを危険にさらしてください、上に存在するトランジスタの数は死ぬパフォーマンスに直接影響します。また、トランジスタの数を増やすことが、CPU メーカーの目標として急速に浮上しています。これを効果的に達成する方法の 1 つは、とりわけ、より多くのトランジスタを得ることができるため、彫刻の精細度を向上させることです。表面積が小さくなります。

トランジスタ数の増加は、Intel の共同創設者であるゴードン アール ムーアによる有名な予測の主題であり、1975 年に、一定の製造コストでプロセッサの数は 2 年ごとに 2 倍になると発表しました。この「ムーアの法則」は 2000 年代初頭までは驚くべき精度で実行されましたが、この時期以降、創業者たちは克服することがますます困難になる物理的な限界に直面するようになり、新しい CPU モデルは前世代ほどの改善が見られませんでした。 。 2000 年の直後、Pentium 4 は 65 ナノメートルの彫刻精度に達しました。これは、1971 年のインテル 4004 の 10 マイクロメートルと比較すると信じられないほどの進歩でしたが、この壁は 2008 年と最初の Core 2 Duo が 45 ナノメートルになるまで超えられませんでした。 。

これらの物理的制限による残念な結果の 1 つは、改良の速度を遅らせることに加えて、一定の製造コストでより効率的なプロセッサをリリースすることがより困難になることです。 2017 年になってようやく、リーダーである Intel が依然として独占している分野での革新にますます苦戦している中、競合である AMD が Zen マイクロアーキテクチャと有名なチップレットでこれらの物理的制限を回避する方法を見つけました。後者は、7 nm の彫刻精度と相まって、プロセッサのコア数を大幅に増やすことができます。

「私たちはチップレットを食べるつもりです！」 »

机上では、CPU 用のチップレットの原理はそれほど複雑ではありません。CPU 全体を同じ表面に彫り込むのではなく、ウエハース、モノリシックデザインの場合と同様に、この彫刻はいくつかの部分に分かれています。死ぬその結果、実際に複数のチップが接続されたプロセッサが統合されることになります。このタイプの設計により、より強力なプロセッサ、または単によりモジュール化されたプロセッサの作成が容易になりますが、コストも削減できます。これについては後で説明します。

しかし、厳密に言えば、AMD はチップレットの発明者ではありません。 MCM タイプのチップは何年も前から存在しており、特に 1980 年にリリースされた IBM の 3081 には 2 つのチップが含まれていました。死ぬ。当時の目標は、現在のようなコスト削減ではなく、単に並外れたコンピューティング能力を達成することであり、このプロセッサは、本質的に 2 つのプロセッサを 1 つにまとめたものをブランドのメインフレームに搭載することを目的としていました。その後、プロセッサを複数のダイに分離するというこのアイデアは、特に 1995 年の Intel の Pentium Pro で再び登場しました。今回は、CPU に 1 つのダイが統合されました。死ぬ1 つは中央プロセッサ用で、もう 1 つはキャッシュ メモリを含みます。このようにして、Intel は、複数の異なるチップラインにわたってマイクロアーキテクチャを簡単に再利用でき、別のチップレットと組み合わせて目的のモデルを作成するだけで、プロセッサに異なるキャッシュ サイズを提供できます。

このモジュール性とそれが提供する信頼性は、特にコスト削減の観点から、すぐにチップレットの主な利点の 1 つになるでしょう。実際、創設者がいくつかの彫刻を施すとき、死ぬにウエハース次に、得られた回路の実行可能性をテストし、どの回路がマーケティングに適しているかどうかを判断する必要があります。エッチング中にウェーハ上にわずかなゴミが付着すると、死ぬ欠陥がありゴミ箱に捨てられるため、多かれ少なかれ生産物の重要な部分が失われることになります。 CPU の彫刻をいくつかの小さな部分に分割することで、紛失のリスクをより効果的に軽減します。彫刻面が小さいほど、紛失の可能性が低くなります。同様に、障害のあるチップレットも同じものと交換でき、CPU が失われることはありません。 Pentium Pro の場合、このモジュール性により、インテルは 200 MHz モデルを異なるキャッシュ サイズ (256、512、または 1024 KB) の 3 つのバージョンでリリースすることができました。これは、まったく同じチップでは当時としてはかなり珍しい選択でした。 。

最近まで、MCM タイプの CPU は主に System on a Chip (SoC) に使用され、特にスマートフォンで非常に普及していました。それらは、いくつかの必要なものをすべて含む中央プロセッサで構成されています。死ぬ: CPU、グラフィック回路、さらには RAM。クアルコム、サムスン、アップルは、市場にある圧倒的多数のスマートフォンにこれらのモジュラー設計チップを搭載していますが、パーソナルコンピュータの世界では、プロ向けのいくつかのモデルを除いて、これらのチップをほとんど利用してきませんでした。

少なくとも、AMD が 2017 年の Zen マイクロアーキテクチャでこれを採用し、成功を収めるまでは、このマイクロアーキテクチャの基礎となるのが、このブランドのすべてのプロセッサに搭載されるコア コンプレックス (CCX) です。具体的には、これは 4 つのコアとさまざまなキャッシュ メモリを組み込んだ回路であり、AMD は多かれ少なかれ強力なモデルを作成するために、CPU の複数の範囲でこの回路を何度も再利用します。ただし、これらはコア チップレット ダイ (CCD) に配置する必要があります。死ぬ実際にCPUに組み込まれるために創設者によって刻印されました。各 CCD は最大 2 つの CCX を保持でき、CCD ごとに合計 8 コアになります。このようにして、メーカーは 2017 年から、コアの有無にかかわらず、4、6、8 コアのかなり幅広いプロセッサを提供できるようになりました。ハイパースレッディング、競合他社のインテルよりもはるかに手頃な価格で。実際、同じデザインを体系的に使用することにより、したがって同じ死ぬこれにより、AMD はすべてのプロセッサの生産コストを大幅に削減することができました。

それだけではありません。CCD が本質的に相互に接続できるチップレットであることを考えると (ブランドが Infinity Fabric と呼ぶプロセスを介して)、AMD は 2 つの CCD を組み込んだ CPU をリリースし、合計 16 コア (4 コア) のオプションを自ら提供しています。 CCX) の Threadripper シリーズに追加されました。新しいマイクロアーキテクチャ (Zen+、Zen 2、Zen 3、そして間もなく Zen 4) への移行により、メーカーのすべてのプロセッサーに見られるこの独自の CCD 哲学が維持されています。

2019 年には、Zen 2 とライゼン3000 では、AMD はすべての CCD に新しいチップレットである入力/出力ダイ (I/OD) を付属させることで、このロジックをさらに推し進めています。これは、CPU、特にリリース当時は新しい PCI-Express 4.0 によって動作するさまざまなバス上のすべてのデータ転送を管理する役割を担う回路です。メーカーが一般向けに初の 16 コア プロセッサ (2 CCD) を搭載した Ryzen 3950X (価格はほぼ同じ 800 ユーロで発売) と、合計8 つの CCD に 64 コア。

これは、Apple の M1、M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra チップに対するアプローチでもあります。後者は特に2 つの M1 Max チップのアセンブリ。Apple では、この接続は Infinity Fabric ではなく、UltraFusion と呼ばれています。

チップレットの標準化への取り組み

Intel 側では、この種のテクノロジーの使用は依然として非常にまれです。同ブランドの Alder Lake CPU は、強力なコアと低消費電力のその他のコアを組み合わせたハイブリッド アーキテクチャにもかかわらず、依然としてモノリシック設計から製造されており、将来の Raptor Lake は、同じ道。しかし、Intelは過去にすでにMCMプロセッサの実験を行っており、主に企業向けモデルやFPGA（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、つまり論理ゲートを再プログラムして用途をカスタマイズできるチップを対象としている。の一部であるため、メーカーはこれにますます関心を持っています。ユニバーサル チップレット インターコネクト エクスプレス (UCIe)、業界全体でチップレットの製造と相互接続を標準化することを目的としたコンソーシアムです。もちろん、彼はそこに一人ではありません。AMD、Arm、Google、Meta、Microsoft、Qualcomm などの他の主要ブランド。

これは、チップレットによって可能になるモジュール性に関連する、業界一般に対するチップレットの最後の利点につながります。 AMDの例を挙げると、RyzenとThreadrippers用に製造されたCCDは、現在RyzenとThreadripperにのみ搭載されていますが、絶対的に言えば、独自のプロセッサを開発して使用したい他のメーカーにブランドがCCDを販売することを妨げるものは何もありませんAMD の知的財産、さらには他のチップレットと組み合わせることもできます。

実際、これはすでに AMD が 2019 年から行っていることです。Ryzen 3000 (およびその後のモデル) の有名な I/OD チップレットは、別の創設者によって異なるプロセスを使用して製造されています。 CCD は TSMC の工場から出荷され、7 ナノメートルで刻印されていますが、I/OD は GlobalFoundries から提供されます。死ぬモデルに応じて 12 または 14 nm。

したがって、UCIe は標準の達成を目指すことで、さまざまなメーカーが再利用でき、定義されたルールによって相互接続が保証されるチップレットを作成することを目指しています。私たちの想像力を働かせ、コンソーシアムに参加しているメーカーのリストを考慮すると、プロセッサー用にクアルコムが製造したチップレット、AMD が製造した GPU、そして Thunderbolt を活用できるインテルのチップレットを組み込んだ SoC を完璧に想像できました。 Wi-Fi 7 と最新の進歩。もちろんこれは単なる例ですが、このようなオープンスタンダードの作成によって何が達成できるかがわかります。

しかし、現時点では、さまざまなメーカーが自社のランクを拡大するために他のパートナーを探しているための準備段階にすぎませんが、業界による明確で適用可能な仕様がすぐに発表されることは期待されていません。しかし、この種の取り組みは、AMDが選んだ道が正しいものであることを示しており、2017年以前は主要メーカーが多少苦戦していた領域であるCPUにおける新たなイノベーションへの希望を与えている。

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