Desde 2019, la industria de semiconductores ha ido adoptando gradualmente una nueva filosofía de diseño para los chips: los chiplets. A primera vista, podría parecer que se trata de un cambio bastante menor, porque lo que realmente está sucediendo es que un chip se divide en piezas más pequeñas. Además, no todas las empresas lo están haciendo, e incluso las que lo están haciendo no están adoptando por completo los chiplets. ¿Son realmente tan importantes los chiplets?
A pesar de todo esto, los chiplets van a ser muy importantes para la industria de los semiconductores. No sólo son una forma de contrarrestar los problemas recientes que han estado experimentando muchas empresas, sino que ahora que AMD e Intel están teniendo un gran éxito con los chiplets, sus rivales definitivamente tendrán que considerar seguir su ejemplo para no quedar en desventaja.
Los chiplets y las dos empresas que los utilizan para revolucionar los procesadores
Un chiplet es exactamente lo que parece: un pequeño chip con solo una funcionalidad parcial. La idea de los chiplets es que, en lugar de fabricar un procesador en una única pieza de silicio (también llamada monolítica), se tienen varios chips que contienen cada uno alguna parte de la CPU. Si bien es natural tener un chiplet para cada función (como uno para los núcleos, uno para la conectividad, uno para los gráficos, etc.), a veces también es deseable poner muchos de los mismos chips en un procesador, lo que es bueno para agregar más núcleos, por ejemplo.
AMD fue la empresa que realmente acuñó (o al menos popularizó) e introdujo el concepto de chiplets. Tenía un diseño básico de módulo multichip con sus procesadores Zen originales en 2017, de los cuales los modelos de gama alta utilizaban múltiples chips de CPU para aumentar el número de núcleos, en lugar de utilizar un solo chip más grande. Pero con Zen 2 en 2019, AMD dividió sus CPU a la mitad: un chiplet para los núcleos de CPU y otro para todo lo demás, como los carriles PCIe y los conectores de RAM.
Mientras tanto, Intel ha estado tratando de ponerse al día con su propia implementación de chiplets, a los que la compañía llama tiles. A pesar de entrar en el juego mucho más tarde que AMD, sus primeros procesadores chiplet finalmente han llegado a escena este año, y son bastante complejos. La GPU Ponte Vecchio para centros de datos tiene varios tiles llenos de núcleos de GPU, un par de tiles para caché, un tiles para VRAM HBM2 y dos tiles más para conectividad. Meteor Lake es una solución de cuatro tiles para el público en general, y aunque es exclusiva para portátiles, su sucesor Arrow Lake llegará a los ordenadores de sobremesa el año que viene, y es bastante similar.
Otras empresas como Fujitsu y Broadcom han manifestado su intención de fabricar procesadores con chiplets, pero AMD e Intel son las únicas que hasta ahora han lanzado productos basados en chiplets y los han producido en grandes cantidades. Sin embargo, especialmente para los equipos de gama alta, parece que será necesario pasarse a los chiplets para mantenerse en el mercado.
Los chiplets permiten un diseño de procesador más inteligente
Lo fascinante de los chiplets es lo variada que es su utilidad. Los chiplets no son algo que se pueda hacer solo una vez, comoel trazado de rayos, ni tampoco son algo extremadamente vago o no específico, como la IA. Los chiplets tienen ventajas claras y distintivas que, en muchos casos, hacen que los procesadores monolíticos queden totalmente obsoletos.
Una de las cosas de las que AMD e Intel hablan a menudo con respecto a los chiplets es de cómo facilitan la oferta de soluciones más específicas para determinados mercados y clientes. Es muy sencillo aumentar o disminuir el número de núcleos, o cambiar un chiplet por otro que sea más adecuado. Por ejemplo, las CPU para servidores de AMD no solo tienen más chiplets de CPU que los modelos de escritorio, sino también un chip de E/S más grande y mejor (para cuestiones de conectividad). AMD también puede añadir otra capa con sus chiplets3D V-Cachetanto para procesadores de consumo como para servidores, ofreciendo aún más opciones a los compradores.
También se puede considerar que es posible reutilizar chiplets a lo largo de generaciones siempre que sigan siendo lo suficientemente buenos, y esta es una fortaleza clave en el sistema de mosaicos de Intel. Mientras que AMD tiene chiplets de núcleo de CPU y de E/S (además de los chiplets de caché), los mosaicos de Intel incluyen uno para núcleos, uno para gráficos, uno para funciones de SOC y uno para funciones de E/S. Si bien esto es útil para ofrecer múltiples versiones de estos mosaicos, el enfoque de Intel le permite a la empresa no reemplazar los mosaicos hasta que sea absolutamente necesario, ya que tiene más funciones distribuidas en más mosaicos. Por ejemplo, si Intel quiere actualizar su hardware de IA, solo necesita reemplazar el mosaico de SOC.
Aunque conservar los módulos antiguos durante más tiempo permite ahorrar dinero, también resulta más fácil justificar la incorporación de nuevas funciones de forma más gradual que antes. Estamos acostumbrados a actualizaciones generacionales cada uno o dos años y a recibir un montón de cosas a la vez; los chiplets pueden acelerar el ciclo de actualización de forma significativa.
Los chiplets también mejoran la fabricación
Sin embargo, estas son solo consideraciones de diseño; ni siquiera hemos llegado a la fabricación, que es mucho más barata con chiplets. Esto se debe a cómo se producen los defectos en la producción de procesadores, y la cuestión es que los chips más grandes son más propensos a los defectos, lo que reduce la producción. Por la misma razón, los chips más pequeños son mucho menos propensos a los defectos, hasta el punto de que los chiplets realmente ahorran bastante en fabricación. El efecto es aún más pronunciado enlos nodos de procesocompletamente nuevos con altas tasas de defectos, que hacen que los chips grandes sean casi imposibles de comercializar.
Pero quizás el mayor cambio en lo que respecta a la fabricación de chiplets sea la Ley de Moore, que predice que el número de transistores en un chip debería duplicarse cada dos años. Lo que esto significa en realidad en el mundo real es un tanto nebuloso, pero es muy aplicable en la informática de alta gama para los tipos de procesadores que rompen el récord de tener la mayor cantidad de transistores. Si la Ley de Moore sigue siendo correcta como lo ha sido durante 50 años, en dos años deberíamos ver un chip que tenga el doble de transistores que el chip más grande de la actualidad.
Existe un acalorado debate entre empresas y analistas sobre si la Ley de Moore está muerta, pero es incuestionable que cada vez es más difícil mejorar los nodos de proceso, las cosas que en gran medida facilitan la Ley de Moore al aumentar la densidad de transistores. Si bien también se puede lograr un aumento en el número de transistores fabricando procesadores físicamente más grandes, existe un límite práctico para el tamaño que pueden tener los chips, y ya lo hemos alcanzado. Por lo tanto,cuando los 3 nm de TSMC no lograron aumentar la densidad de la memoria cachéni siquiera en un 1%, eso fue una muy mala noticia para la industria y señaló que la Ley de Moore está muriendo, o incluso muerta.
Los chiplets no pueden aumentar la densidad, pero pueden sortear la limitación de tamaño, ya que ningún chip se acerca siquiera al límite. En términos generales, ~750 mm2 es el tamaño máximo que puede tener un chip en los procesos más recientes, pero con los chiplets el límite es prácticamente el tamaño de la PCB. Las últimas CPU para servidores Zen 4 Genoa de AMD tienen hasta 1271 mm2 para los modelos con los 96 núcleos completos.
Y hablando de todo ese problema de caché (que podría llegar a ser de toda la industria), los chiplets también lo mitigan. El uso de chiplets de caché en lugar de agregar más caché a los chiplets de CPU o gráficos tiene, por supuesto, el beneficio de hacer que esos chiplets de núcleo sean más pequeños y más baratos, además de todo el ángulo de especialización con cosas como 3D V-Cache, pero también hay un tercer beneficio para la fabricación. Si los nodos más nuevos no van a mejorar realmente la densidad de caché, entonces los chiplets de caché se pueden fabricar en nodos mucho más antiguos y más baratos sin perder realmente mucho rendimiento, si es que lo pierden.
Los chiplets no son para todos, pero serán un gran éxito
Si bien los chiplets son excelentes, probablemente no serán muy aplicables en ciertos casos, como en el caso de procesadores realmente pequeños como los chipsets de los teléfonos inteligentes o chips intencionadamente simples para microondas y asistentes domésticos (al menos los de gama baja). No todo el mundo de los semiconductores se construirá sobre chiplets; muchos chips genéricos pero importantes todavía se fabrican con algunos de los procesos más antiguos y económicos disponibles.
Pero cada vez parece más probable que los chiplets sean el futuro de nuestros ordenadores portátiles, de sobremesa, servidores, coches y consolas. Por supuesto, el gran contrapunto a los chiplets de empresas como Nvidia es que son una pérdida de tiempo porque la IA es mucho mejor, hasta el punto de que duplicar el rendimiento cada dos años es lento. Por ello, Nvidia sigue fabricando sus GPU (y ahora sus CPU) a la antigua usanza, porque la Ley de Moore ya ni siquiera importa.
Sin embargo, en el presente, la IA no está completamente desarrollada como tecnología y, si fracasa o si el espacio se vuelve extremadamente competitivo, las empresas que utilizan chiplets tendrán ventaja frente a las que no lo hacen. Sea cual sea el futuro que le depare el sector de los semiconductores, es difícil imaginar que la tecnología de chiplets no forme parte de él.