Каждый год эксперты Массачусетского технологического института составляют список прорывных технологий, которые совсем скоро изменят нашу жизнь. В 2024 году среди них оказались чиплеты — маленькие чипы, способные решить большую инженерную проблему и сделать компьютеры быстрее и эффективнее.
С чего все начиналось
История развития электроники еще только начиналась, а ученые и инженеры уже стремились к созданию все более мощных и компактных вычислительных устройств. Этот процесс пошел быстрее, когда появились интегральные схемы. Интегральная схема — это микросхема, у которой все электронные компоненты (транзисторы, резисторы, конденсаторы и т.д.) размещены на одном монолитном кристалле полупроводникового материала. Они бывают разные, но, например, современный процессор — один из вариантов интегральной схемы — выглядит как-то так:
В середине 1960-х годов Гордон Мур, один из основателей Intel Corporation, заметил интересную тенденцию в развитии интегральных схем и предсказал, что количество транзисторов на них будет удваиваться каждый год. Позднее, в 1975 году, Мур отметил, что тенденция замедлилась и теперь количество транзисторов будет удваиваться каждые два года. Это предсказание назвали законом Мура, и оно превратилось в самосбывающееся пророчество — надолго предопределило тренд разработки новых поколений процессоров и других электронных компонентов.
Воплощение закона Мура выглядит так:
1971 год — однокристалльный процессор Intel 4004: размер 10 мкм, 2300 транзисторов;
1980 год — процессор Intel 80186: размер 3 мкм и 134 000 транзисторов;
1985 год — процессор Intel 80386: размер 1,5 мкм и 275 000 транзисторов...
И понеслось. Эту динамику отлично видно на графике, например, таком:
Ось Y показывает количество транзисторов на микросхеме. Ось X — годы. Точками, которые и составляют линию тренда, отмечены разные процессоры — от самых старых до самых новых. Видно, что рост количества транзисторов фактически экспоненциальный и количество транзисторов действительно удваивается примерно каждые два года, как и предсказывал Мур.
Чтобы было легче представить, как быстро уменьшались размеры процессоров, скажем, что толщина человеческого волоса составляет около 40–120 микрометров, а клетки крови, красные кровяные тельца (эритроциты), имеют диаметр примерно 7 мкм. В общем, процессоры становились все меньше, транзисторов на них становилось все больше, мощность вычислительных устройств росла — что могло пойти не так?
Постепенно становилось понятно, что бесконечно размещать все большее количество транзисторов на все меньшей площади невозможно — иначе к 2060 году элементы микросхем должны стать размером с одиночный атом. Вместо борьбы за количество транзисторов производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы.
На протяжении многих лет основным подходом к созданию микрочипов был монолитный подход. Он заключался в создании одного крупного кристалла, на котором размещались все необходимые транзисторы и другие элементы. Такой подход обеспечивал высокую плотность размещения элементов на чипе, однако имел ряд недостатков. Один из них — ограниченные возможности масштабирования, то есть увеличение размеров чипа приводило к снижению его эффективности.
Кроме того, монолитная структура чипов делала их уязвимыми для перегрева и деградации. Из-за того, что все элементы были расположены на одном кристалле, тепло от работы транзисторов не могло быстро рассеиваться, что приводило к перегреву и снижению производительности чипа. Чтобы решить эти проблемы, пришлось придумать новый вид чипов — чиплет.
Что такое чиплеты и как они работают
Чиплеты — инновационная технология в области создания процессоров, которая пришла на замену традиционным монолитным чипам. Чтобы понять суть чиплетов, полезно вспомнить, что процессор — центральный элемент любого компьютера. Процессор, или центральный процессор (ЦП), представляет собой небольшой кристалл, выполняющий множество вычислительных задач, управляя данными и обеспечивая выполнение программ.
С постоянным ростом требований к производительности компьютеров возникла потребность в более мощных и эффективных процессорах. Именно в этот момент на сцену вышли чиплеты — технология, которая предполагает разделение процессора на отдельные блоки или части, называемые чиплетами. Эти чиплеты создаются независимо друг от друга и затем объединяются в единый процессор.
В традиционном монолитном процессоре все необходимые компоненты (процессорные ядра, кеш-память и графические ядра) располагаются на едином кристалле кремния. В чиплетном процессоре функциональность разделена между несколькими микросхемами, объединенными на одной платформе.
Одно из ключевых преимуществ использования чиплетов — гибкость. Возможность комбинировать различные чиплеты облегчает создание разнообразных конфигураций процессоров в зависимости от потребностей конкретных задач. Этот подход также упрощает внесение изменений и проведение апгрейдов: чиплеты могут быть легко заменены или добавлены при необходимости.
Кроме того, чиплеты позволяют более эффективно управлять тепловыделением. Так как функциональность распределена между отдельными чиплетами, это способствует более равномерному распределению тепла по поверхности процессора. Это в свою очередь улучшает систему охлаждения и общую тепловую устойчивость всей системы.
Однако, несмотря на все преимущества, использование чиплетов также сопряжено с определенными вызовами. Например, требуется более сложная технология объединения чиплетов на одной платформе, а также эффективное управление связью между ними. Кроме того, существуют вопросы, связанные с обеспечением совместимости и оптимизации работы чиплетов в целом. Тем не менее чиплеты представляют собой заметный шаг вперед в развитии технологии процессоров. Их гибкость и возможность легкого обновления делают их важным инструментом для тех, кто стремится к высокой производительности и эффективности в области вычислений. С развитием технологий и улучшением производственных процессов чиплеты, вероятно, будут играть все более важную роль в создании мощных и адаптивных компьютерных систем.
Технология будущего?
Чиплеты — действительно технология будущего, они обладают огромным потенциалом для ускорения и повышения эффективности вычислений, что особенно важно для областей, в которых требуется огромное количество вычислительных мощностей.
Например, чиплеты могут использоваться в области развития искусственного интеллекта. Процессы машинного обучения и обучения нейронных сетей требуют огромных вычислительных ресурсов. Чиплеты позволяют создавать высокопроизводительные системы, специально адаптированные для ускоренного обучения и более точных результатов. Это в свою очередь открывает новые возможности в области искусственного интеллекта, улучшая автоматизацию, распознавание образов и решение предикативных аналитических задач.
Применение чиплетов также может вывести на новый уровень обработку изображений и видео, а в задачах компьютерного зрения и обработки графики чиплеты могут значительно увеличить скорость и эффективность алгоритмов. Это особенно важно для таких областей, как медицинская диагностика, видеонаблюдение и графический дизайн. Способность чиплетов работать параллельно предоставляет новые возможности для реализации сложных графических задач.
Не менее важным является вклад чиплетов в область моделирования и 3D-печати. Эти процессы также требуют значительных вычислительных ресурсов, и чиплеты предоставляют эффективные решения для ускоренного создания и обработки трехмерных моделей. Это не только улучшает производительность, но также позволяет более быстро прототипировать и воплощать в жизнь сложные дизайнерские и инженерные идеи. А еще чиплеты могут использоваться для создания более эффективных и надежных компьютерных сетей.
Сейчас развитием чиплетной технологии занимаются крупнейшие мировые компании: Intel, AMD, NVIDIA, Qualcomm, Broadcom и другие. Чтобы объединить усилия и найти общий вектор на этом пути, компании пришли к созданию отраслевого стандарта технологии чиплетов.
Отраслевой стандарт, который разрабатывают компании, известен как UCIe. Его цель — предоставить набор общих технических передовых практик для разработки технологий, позволяющих объединять чиплеты в единый процессор. Наличие общих правил должно упростить разработку и дать производителям возможность учиться на опыте других игроков рынка. Теоретически чиплеты, которые будут совместимы с недавно объявленным стандартом UCIe, могут быть объединены в один процессор, даже если они производятся разными компаниями. Это шаг на пути к совершенно новым процессорам, сочетающим в себе технологии разных производителей микросхем.
Можно с уверенностью сказать, что чиплеты будут играть ключевую роль в развитии чипов в ближайшие десятилетия и вернут отрасли микроэлектроники прежние темпы развития. Разумеется, чиплеты не смогут в одиночку спасти закон Мура, но они помогут преодолеть его ограничения и откроют новые возможности для создания более эффективных и мощных электронных устройств.