Así funcionan los Interposer con los que se comunican los chiplets

Con todas las empresas del sector del hardware desarrollando nuevos diseños basados en chiplets de cara al futuro es donde estos parecen ser el futuro, pero realmente no son más que chips MCM, los cuales llevan en el mundo del hardware desde hace ya décadas. En este artículo os hablaremos de los interposers que comunican y sobre los que están montadas estas configuraciones de chips.

Los interposers no son una novedad, pero buena parte de la investigación y desarrollo de NVIDIA, AMD, Intel u otras empresas del sector han ido en este sentido en los últimos años, ya que de la misma manera que el desarrollo de arquitecturas basadas en chiplets es importante, también lo es su intercomunicación.

¿Qué es un interposer?

MXM Interposer

Técnicamente un interposer es un tipo de PCB, por lo que es una placa en la que se montan varios chips encima de la misma. Los Interposers son tradicionalmente llamados así por el hecho que son una placa que se sitúa entre lo que es el PCB principal y los chips que van encima del mismo. Por ejemplo un módulo MXM en los que van montadas las GPU dedicadas para portátiles pueden ser considerados interposers.

También es el caso de algunos chips con memoria «embebida» externa, como la L4 para los Intel Iris que salió hace unos años, donde tanto la memoria embebida como el SoC estaban montados sobre un mismo interposer.

AMD Vega GPU

Pero, en los últimos años se ha relacionado el uso de interposers con lo que se llaman circuitos integrados 2.5D IC, los cuales se basan en la implementación de una memoria 3D DRAM, normalmente HBM y que por tanto utiliza interconexiones verticales. Dichos interposers están pensados para otorgar una comunicación lo más rápida posible con el menor consumo energético posible y es que si hay algo que le da ventaja a la memoria HBM sobre otras memorias como la GDDR6 es su ratio de pJ/bit.

Simplemente si hacéis el cálculo de multiplicar los pJ/bit por el ancho de banda por segundo, en bits, podréis ver le consumo y como las HBM2 es una memoria con un mayor rendimiento de cara al consumo. No obstante buena parte de la magia se debe al interposer que comunica las diferentes partes, el cual es esencial en la construcción de un sistema 2.5DIC

Mover datos es caro

Movimiento Datos

Si le preguntáis a cualquier experto en la materia quien haya estado diseñando nuevas arquitecturas entonces veréis como la respuesta será siempre la misma. El problema ya no esté en conseguir la mayor cantidad de cálculos posible, sino en conseguir el mayor movimiento de datos posible dentro de un presupuesto energético fijo.

Todos los chips tienen una serie de pines de datos que sirven para enviar y recibir información entre ellos, cada envió de información tiene un coste energético, el cual para aumentar el ancho de banda requiere dos soluciones estándar:

  • Aumentar el número de pines, lo que lleva al aumento del tamaño del chip, esto son menos chips por oblea y la reducción del stock disponible. Aparte de crear problemas de latencias adicionales por el mayor tamaño.
  • Aumentar la velocidad de reloj de las interfaces externas, no es un aumento de precio, pero si de consumo, ya que el consumo sube cuadráticamente con la velocidad de reloj y este sube linealmente con el voltaje.

Socket CPU

La solución a la que se llegó fue colocar los pines en vertical, de tal manera que puede haber muchos más sin aumentar el área del chip. La idea es la misma que la que podemos ver en los sockets de las CPUs donde tenemos cientos de pines que comunican con la placa. La idea con los interposers en configuraciones 2.5DIC se comunican verticalmente con todos los chips y luego es el propio interposer el encargado de mover esos datos.

Por lo que estamos hablando de una gran cantidad de interconexiones que han de ser llevadas a cabo por el interposer, lo que hace que este tenga que tener una enorme complejidad interna y que estos sean totalmente necesarios en dichas configuraciones.

Tipos de Interposers

CoWoS 6th Gen

Hay diferentes tipos de interposers, de los cuales vamos a hablar a continuación, no mencionando marcas concretas ni tecnologías propietarias, sino haciendo una explicación general de los diferentes tipos de interposers que existen. No obstante, hay que aclarar que todos ellos están pensados para la implementación de sistemas 2.5DIC.

Interposers de silicio

Gráficas AMD Radeon Vega

Son los más utilizados y por el momento los únicos que existen en la industria a gran escala, por todas las imágenes que acompañan a esta entrada son de este tipo de interposers.

Se les llama así por el hecho que no dejan de ser otro chip, pero a gran escala. ¿El problema? Son caros de fabricar y pueden oscilar entre los 30 dólares de coste y los 100 dólares. Además, tienen el problema que no pueden ofrecer velocidades de reloj para la comunicación más allá de los 4 GHz. Dado que la memoria HBM requiere por el momento menos velocidad de reloj no se ha llegado a su límite.

Interposers Orgánicos

Interposers orgánicos

Son aquellos que en su construcción se suelen utilizar elementos orgánicos como pude ser resina epoxy. No tienen el mismo rendimiento que un interposer de silicio convencional, ya que permite velocidades de reloj mucho más bajas, pero su coste de producción es muy bajo y se encuentra entre los 2 y los 3 dólares.

El motivo por el cual no pueden alcanzar las velocidades de reloj de los interposers de silicio se debe principalmente a que no pueden tolerar altas temperaturas, por lo que esto condiciona el diseño de las interfaces que se crean sobre ellos, así como su uso.

Los interposers orgánicos no hacen uso de vías a través de silicio para la intercomunicación, pero existen los llamados interposers 2.1D que son una combinación entre los de silicio y los orgánicos, donde se busca la alta velocidad de transferencia de los de silicio a un menor coste.

Interposers ópticos de cristal

Interposers cristal

También existen interposers hechos de cristal, estos no se basan en la comunicación utilizando electrones, sino que se comunican por fotones. Son por tanto los que tienen mayor rendimiento, pero su fabricación es compleja. Lo más seguro es que acaben por reemplazar a los interposers de silicio cuando sea necesario.

El hecho de poder comunicar por intercomunicación óptica elimina la necesidad de tener que hacer pasar vías a través de silicio por el interposer. Por lo que se trata de un paradigma distinto, el cual vamos a tardar años en ver.

También hemos de tener en cuenta que van a necesitar un nuevo tipo de fabricación, ya que no estamos hablando de la misma metodología para fabricarlos que los interposers de silicio y orgánicos. Esto puede limitar su disponibilidad a equipos de alto rendimiento como servidores y superordenadores durante años.

Puentes o interposers de silicio sin TSV

Interposers EMIB Intel

Los puentes son interposers de silicio, pero con una particularidad, no hacen uso de vías a través de silicio. Esta solución se va a hacer famosa en unos años, ya que es la forma de intercomunicación escogida por Intel con su EMIB y una variante de la misma estña especificada en las patentes de futuros sistemas basados en chiplets de AMD, por lo que se están convirtiendo en la alternativa ideal a los interposers de silicio de cara al mercado doméstico.

La idea de los puentes es conectar de manera directa los chips en vez de tener una interconexión interna. Es una solución ideal para cuando hay pocos chips encima del interposer y de coste mucho más bajo.

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