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O que é um chiplet?

Por| Editado por Wallace Moté | 16 de Agosto de 2022 às 14h56

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Divulgação/AMD
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O mundo da tecnologia enfrenta mais um grande desafio diante de limites físicos que os transistores, os "interruptores" presentes em CPUs e outros processadores responsáveis pelos cálculos, tornam-se cada vez menores, mais complexos e caros de se fabricar. Uma das soluções tidas para contornar, ou ao menos aliviar, esse obstáculo é a adoção dos chiplets, já presentes em um número significativo de soluções disponíveis no mercado. Mas o que seria um chiplet exatamente?

Chiplets são chips de dimensões menores e especializados em uma tarefa específica, feitos para operarem juntos a múltiplas unidades que formarão o "chip tradicional" como o conhecemos — essas "peças" funcionam como um Lego, permitindo que a fabricante escalone o poder de um processador ao adicionar mais ou menos chiplets.

Eles se contrapõem ao die monolítico, o conjunto de circuitos em que todos os componentes são integrados em um único retículo de silício.

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É possível citar os processadores Ryzen 3000 como exemplos de componentes que adotam chiplets, e as CPUs Intel Alder Lake de 12ª geração como designs baseados em dies monolíticos. A AMD chama os chiplets de CPU que utiliza de "Core Complex Die" (CCD), ou circuito de complexo de núcleos em tradução livre.

Na linha Ryzen 3000, cada CCD embarca 8 núcleos e, assim sendo, para compor modelos como o Ryzen 9 3900X de 12 núcleos ou o Ryzen 9 3950X de 16 núcleos, dois chiplets são utilizados. Para conexões USB, barramento PCIe e outros recursos de troca de dados, a gigante emprega ainda o I/O Die, outro chiplet dedicado a gerenciar a conectividade do processador.

Os chips Intel Alder Lake adotam um design completamente oposto, com o die monolítico. Isso significa que os núcleos da CPU, a GPU integrada, os componentes dedicados a cuidar das conexões e outros fazem parte de um único circuito integrado grande — a diferença essencial para os chiplets residem no tamanho e na integração desses diferentes componentes em um die.

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Para criar os diferentes modelos, a Intel realiza o processo conhecido por "binning", em que os dies sem defeitos de melhor qualidade se tornam modelos mais potentes (como o Core i9 12900K de 16 núcleos), e outros com algum tipo de defeito, como GPU inoperante ou núcleos desativados, são posicionados como modelos mais simples (como o Core i5 12600K, que usa o mesmo die, mas apresenta apenas 12 núcleos ativados).

Vale destacar que, ainda que os exemplos de chiplets citados referem-se a CPUs, essa tecnologia pode ser aplicada a qualquer tipo de acelerador, sejam GPUs (como é o caso das placas de vídeo Radeon RX 7000 da AMD), NPUs para processamento dedicado de Inteligência Artificial ou mesmo placas de rede.

Quais as vantagens e desafios de se usar chiplets?

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Todos os circuitos integrados são fabricados a partir de enormes discos de silício, conhecidos como wafers. Em cada wafer, dezenas de dies são impressos, mas a quantidade final depende muito da área que cada um deles apresenta — quanto menor a área, maior é a quantidade.

É importante lembrar que nem todos os chips fabricados saem perfeitos, e nem sempre é possível reaproveitá-los em modelos diferentes.

Essa métrica é o rendimento (ou yield, em inglês) e, quanto maior, melhor é o número de chips de boa qualidade sendo fabricados. Considerando que os chiplets possuem área pequena, por conter uma única função, é possível fabricar uma quantidade maior deles por wafer, o que acaba aumentando o rendimento e reduzindo os custos de maneira significativa.

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Outro ponto positivo, diretamente ligado a essas características, é a possibilidade de escalonar o poder de processamento de um processador de maneira mais fácil e barata. Já que os núcleos e os outros componentes ocupam uma área menor ao serem integrados aos chips, desenvolver CPUs ou outros aceleradores com alta contagem de núcleos é um processo menos complexo e que exige investimentos menores, por não ser necessário desenvolver um enorme die monolítico.

Por outro lado, como nem todos os componentes estarão concentrados em um die, é possível que haja penalidades na latência (o atraso no envio de uma informação), que pode afetar o nível de desempenho.

Dito isso, as soluções modernas costumam apresentar performance suficiente para conseguir contornar essa latência na maioria dos casos, enquanto as empresas seguem projetando conexões entre chiplets cada vez mais velozes para eliminar os atrasos por completo.

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Diante dos pontos positivos que superam os negativos e, principalmente, da redução de custos e da possibilidade de se escalonar o poder de processamento facilidade, a indústria de semicondutores expandiu o uso de chiplets com o passar dos anos, a ponto de criar uma plataforma de compatibilidade de chiplets de diferentes companhias — o UCIe.

UCIe: a plataforma "PCIe" dos chiplets

Com a crescente adoção dos chiplets, em 2022, grandes nomes da indústria da tecnologia se uniram em um consórcio para desenvolver uma plataforma pela qual chiplets de diferentes companhias pudessem se comunicar, dando maior flexibilidade aos engenheiros, que poderiam mesclar arquiteturas, litografias e chiplets de diferentes funções em um único pacote.

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Composta por nomes de peso que incluem AMD, ARM, Intel, Qualcomm, Samsung e TSMC, o consórcio desenvolveu o Universal Chiplet Interconnect Express, ou UCIe — nome similar ao barramento PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) presente em PCs e servidores para instalação de placas de vídeo, armazenamento e outros periféricos, que reflete o desejo do grupo de que a plataforma seja popular e se torne um padrão como a interface de expansão.

De uso aberto, que não exige o pagamento de royalties, o UCIe teve sua primeira versão lançada em março de 2022 e cobre a camada física e os protocolos de comunicação entre os chiplets e o uso do barramento PCIe, junto ao protocolo CXL, para conexão com periféricos.

Em teoria, com o UCIe, seria perfeitamente possível desenvolver grandes aceleradores que unem em um mesmo pacote chiplets ARM, CPUs Intel e GPUs AMD ou Nvidia, entre outras possibilidades.

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Fonte: WikiChip, How-To Geek