Ein Chip statt viele Was ist ein Chiplet?

Modularität wird in der IT derzeit immer wichtiger: Bei Rechenzentren, Systemen und mittlerweile auch bei Chips. Die können besser gefertigt werden, wenn sie aus mehreren Modulen bestehen statt aus einer großen Einheit.

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Die Entstehung von Chiplets ist eine Folge der Trendumkehr bei den Chipfertigungstechniken. Lange Zeit wurden in Mikrochips, beispielsweise in Prozessoren, immer mehr Funktionen in einem als Ganzes geplanten Design integriert. Die Folge: Die Designs und damit auch die Fertigungsvorgänge wurden immer komplexer. Das aber drückte die Fertigungsausbeute nach unten und damit die Kosten pro fertiggestelltem System nach oben.

Je größer nämlich die Fläche eines monolithischen Designs, desto leichter schleichen sich Fehler ein, die das betroffene Exemplar zum Ausschuss oder zur zweitklassigen Ware deklassieren. Dann lässt es sich bestenfalls zum Minderpreis absetzen.

Chiplets bringen Flexibilität fürs Design

Die Aufspaltung eines monolithischen Designs in Chiplets kann die Ausbeute mehr als verdoppeln. Zudem ist die optimale Strukturbreite nicht für jedes Funktionsmodul gleich. Fertigt man einen Chip nicht aus einem Guss sondern mit mehreren photolithographischen Prozessen für unterschiedliche funktionale Einheiten, kann man jeweils die optimale Strukturbreite wählen.

Weitere Vorteile: Chiplets lassen sich für andere Chips wiederverwenden. Und die Modernisierung von Chips vereinfacht sich: Mehrere überschaubare Chiplets sind leichter renovierbar als eine weiterhin monolithische Gesamtlösung.

Nichts Neues unter der Sonne

Die Idee von Chiplets ist nicht neu. Vorläufer der jetzigen Idee, heterogene Module auf einem Chip zu integrieren, waren Multichip-Module, die es schon in den 70ern gab, und sogenannte Systems in a Package (SiP), die um 2005 aufkamen.

Die ersten aktuellen Chiplet-Architekturen brachten 2014 eine Kooperation zwischen Hisilicon und TSMC mit CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) und 2016 Marvell, ein Hersteller von Spezialprozessoren. Seine Mochi-Architektur kombinierte mehrere lego-ähnliche Funktionsblocks.

Intel und AMD setzen auf das Chiplet-Konzept

Inzwischen sind die Giganten des Prozessordesigns, Intel und AMD, in das Konzept eingestiegen. Vorreiter war dabei AMD mit der ersten EPYC-Generation Naples.

Jeder EPYC-Naples-Prozessor enthält vier Zeppelin-Rechenkerne in Form von 2D-Multichipmodulen. Sie werden verbunden durch den Prozessorbus Infinity Fabric. AMD wollte damit die Grenzen von Moores Law außer Kraft setzen.

Intel fertigt im Gegensatz zu AMD selbst und hatte infolgedessen die Chance, Industriestandards für die Chiplet-Fertigung zu definieren. Beispiele sind Embedded Multi-die Interconnect Bridge (EMIB) für die Verbindung heterogener Module, Advanced Interface Bus (AIB), eine Standardschnittstelle für Module oder Forevos als Methode, Chipmodule dreidimensional zu stapeln.

Die offene Alternative für Spezialchips der Zukunft: ODSA

Als offene Initiative arbeitet ODSA (Open Design Specific Architecture), ein Projekt im Rahmen von OCP (Open Compute Project) ebenfalls an Chiplet-Designs. Hier sollen auf Chiplets basierende Spezialchip-Architekturen für Machine Learning, Bildverarbeitung und andere Hochleistungsaufgaben entstehen.

ODSA zielt darauf ab, Best-of-Breed-Chiplets und standardisierte, offene Interconnects zu definieren, um mehr Wettbewerb zu ermöglichen. Derzeit fordert die Organisation interessierte Unternehmen und Forschungsinstitutionen auf, an einem PoC-Chiplet-Prinzip mitzuwirken, um das Projekt voranzubringen (siehe Bild).

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