Así serán las futuras CPUs de Intel y AMD: fabricadas como 3DIC

Intel y AMD han ido anunciando el uso de tecnologías 3DIC de todo tipo para construir procesadores futuros, tendencia que crecerá en los próximos años. Pero, ¿cómo podrían las futuras CPUs de Intel y AMD construidas con esta tecnología? En este artículo intentaremos arrojar luz de como podrán ser estos procesadores del futuro.

A medida que se van utilizando nuevos nodos de fabricación se puede ver como los costes crecen más y más, esto obliga no solo a tomar nuevas estrategias en cuanto al diseño de nuevos procesadores sino también nuevas formas de construirlos.

¿Qué entendemos como 3DIC?

3DIC

3DIC son las siglas de circuito integrado en tres dimensiones, se llaman así a todos los procesadores o conjuntos de los mismos que se componen por varios chips distintos interconectados entre si haciendo uso de vias a través de silicio o TSV. Hasta el momento en el mercado de componentes de hardware para PC hemos visto la memoria 3D-NAND de diferentes marcas, así como las diferentes generaciones de memoria HBM como únicas demostraciones

Una de las ventajas del 3DIC es que podemos utilizar varios chips con distintos nodos de fabricación de manera combinada, esto es una ventaja porque no todos los elementos de un procesador necesitan ser escalados a un nuevo nodo de fabricación, ya que estos no le aportan un mayor rendimiento a los mismos.

Direct die-to-die o como construir un procesador complejo utilizando 3DIC

Direct Die to Die 3DIC

La idea de conectar dos chips de lógica de manera uno con el otro en una estructura 3DIC, haciendo para ello uso de una interconexión TSV en vertical tiene el potencial de cambiar por completo todos los sectores de la industria de los procesadores. Desde los SoC de muy bajo consumo que sirven como procesador central en tu teléfono hasta los chips de gama alta especializados en los centros de datos.

Lakefield Foveros

La idea de separar un procesador en dos o más partes alineadas en vertical es algo que ya hemos visto en el Intel Lakefield, en el cual los núcleos de la CPU y el Northbridge están separados del Southbridge en chips distintos y haciendo uso de nodos de fabricación distintos. Pero, deberíamos empezar a ver en algunos modelos de SoCs e incluso de CPUs.

Pero la arquitectura de Intel no es la única forma de construir una CPU contemporánea haciendo uso de tecnología 3DIC, sino que también existe otro tipo de configuración, en el que los núcleos de la CPU y el «uncore» del mismo mismo procesador se separen en dos o varios chips distintos interconectados vía TSV.

El mayor desafió al que se enfrentan los arquitectos de CPUs en estos momentos es el coste energético de la transmisión de datos en el procesador, el cual en una configuración de la que hablamos se ve enormemente reducido, de ahí a que el 3DIC no solo vaya a ser la apuesta de futuro de Intel y AMD sino también es algo que vamos a ver en el mundo ARM.

Un posible futuro procesador 3DIC por parte de Intel o AMD

Render-Procesador

Para nuestro ejemplo vamos a tomar como ejemplo los procesadores de escritorio basados en Zen 2 y Zen 3, los cuales dividen los núcleos del uncore, elemento que también es conocido como Northbridge, aunque AMD lo llama Scalable Data Fabric. Vamos a utilizar esta arquitectura porque tiene una división muy clara de los componentes.

AMD, o Intel, podrían lanzar un futuro procesador en el que aparentemente veríamos una configuración monolítica, pero realmente ser un procesador 3DIC donde el uncore estuviese en un chip diferente en la pila que los diferentes núcleos.

3DIC Patente Intel

Esto significaría que la conectividad entre los CCD o Chiplets con el SDF no solamente sería más directa y por tanto con menos latencia sino que además consumiría menos, gracias a que sería posible para AMD o Intel utilizar una mayor cantidad de pines a menor velocidad, pero sin perder ancho de banda para comunicar los diferentes núcleos con el resto del procesador, lo que a su vez permitirá aumentar considerablemente el rendimiento por vatio de las diferentes CPUs.

La idea de separar en varios niveles los procesadores va a permitir cosas como construir sistemas multi-núcleo que vayan más allá 8 núcleos en un mismo chip e intercomunicarlos todos ellos a la suficiente velocidad, con una buena latencia y consumiendo energéticamente muy poco en comparación con los modelos actuales.

¿A qué handicaps se enfrentan Intel y AMD para el despliegue del 3DIC?

Oblea

La mayor contrapartida es el enorme coste de fabricar un procesador 3DIC, el cual requiere de pasos de fabricación adicionales, pero la mayor de ellas es lo que se llama ahogamiento termal, el cual se produce cuando dos componentes están tan cerca que la temperatura de uno afecta al funcionamiento de otro, no permitiendo que los componentes puedan alcanzar las velocidades de reloj que podrían alcanzar por separado e incluso en una configuración 3DIC.

Esto hace que estas configuraciones requieran además sistemas de refrigeración mucho más complejos y caros, lo que en conjunto los aleja de los sistemas domésticos y los hace ideales para servidores de todo tipo tipo, pero paradójicamente también son el futuro de los SoCs para dispositivos PostPC, que se ven limitados en tamaño y no pueden expandirse más en horizontal, por lo que solo lo pueden hacer en vertical.

El motivo de ello es que con cada nuevo nodo no solamente este creciendo el coste milímetro cuadrado de cada oblea sino que también es cada vez más difícil construir procesadores cada vez más grandes sin que exista una peligrosa tasa de fallos. Todo esto forzará a que la mayoría de los diseños pasen de ser un enorme chip monolítico a estar compuesto por varios chips en vertical, solo porque el coste por oblea será tan alto que incluso el alto coste de la fabricación en 3DIC no será un impedimento.

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