Så förändrar chiplets hela spelplanen för hur processorer designas och tillverkas

Under decennier följde processorutvecklingen en enkel formel: krymp transistorerna, öka klockfrekvensen och lägg allt på ett enda kiselchip. Men den eran håller på att ta slut. Tillverkningskostnaderna exploderar, och att producera gigantiska monolitiska chip med hög avkastning blir allt svårare. Lösningen som hela branschen nu satsar på heter chiplets – en arkitektur där processorn bryts ned i mindre, specialiserade moduler som sedan kopplas samman. AMD, Intel och Apple leder utvecklingen, men konsekvenserna sträcker sig långt bortom de stora aktörerna. Det här är en av de mest fundamentala förändringarna i processordesign på flera decennier.

Vad är chiplets och varför överger branschen det monolitiska chipet?

Under lång tid var svaret på frågan om hur man bygger en kraftfullare processor enkel: gör chipet större och stoppa in fler transistorer. Det fungerade utmärkt så länge tillverkningsprocesserna kunde hänga med. Men när transistorerna krympt till några få nanometer har den monolitiska modellen börjat visa sina svagheter på ett sätt som inte längre går att ignorera.

Det monolitiska chipets inneboende problem

Ett monolitiskt chip är ett enda sammanhängande kiselchip där alla komponenter – processorkärnor, cacheminne, grafik och kommunikationslogik – sitter integrerade. Problemet med den här designen är att ju större chipet är, desto högre blir risken för tillverkningsfel. Ett enda mikroskopiskt defekt på fel ställe gör hela chipet oanvändbart. När chip blir stora nog att täcka flera kvadratcentimeter kan avkastningen per wafer sjunka dramatiskt, vilket driver upp kostnaderna för varje fungerande enhet.

Dessutom låser det monolitiska upplägget tillverkaren till en enda produktionsprocess för alla komponenter, även om vissa delar skulle fungera bättre eller billigare med en annan process.

Chiplets löser problemet genom modularitet

En chiplet-baserad processor fungerar i stället som ett modulärt system. Olika funktioner bryts ut till separata, mindre chip som sedan monteras tillsammans i ett gemensamt paket och kommunicerar via höghastighetsinterface. Ett litet chip har statistiskt sett färre defekter och högre avkastning, vilket direkt sänker produktionskostnaden.

Men fördelarna stannar inte vid ekonomi. Modulariteten gör det möjligt att tillverka olika delar av processorn med den process som passar bäst för just den komponenten. Beräkningskärnor kan tillverkas i den senaste och dyraste processen, medan komponenter som inte kräver samma precision kan produceras i en äldre och billigare nod.

Därför accelererar övergången just nu

Flera faktorer samverkar för att göra chiplets till branschens föredragna väg framåt. Kostnaderna för att bygga nya fabriker för de mest avancerade tillverkningsprocesserna har stigit till hundratals miljarder kronor, vilket gör att färre aktörer har råd att ligga i absolut framkant. Chiplets gör det möjligt att kombinera komponenter från olika tillverkare och processer, vilket öppnar dörren för mer flexibel och kostnadseffektiv design.

De tekniska utmaningarna som länge bromsade utvecklingen, framför allt hur chiplets ska kommunicera med varandra tillräckligt snabbt, har också börjat lösas genom standardiserade interface som UCIe.

Fördelarna med chiplet-arkitektur kan sammanfattas i några centrala punkter:

• Högre tillverkningsavkastning tack vare mindre individuella chip.
• Möjlighet att mixa tillverkningsprocesser för olika komponenter.
• Enklare att skala upp eller ned prestanda genom att lägga till eller ta bort moduler.
• Kortare utvecklingscykler eftersom delar kan återanvändas mellan produktgenerationer.

Så bygger AMD, Intel och Apple sina processorer med chiplet-teknik

De tre dominerande aktörerna inom konsumentprocessorer har alla omfamnat chiplet-arkitektur, men de har gjort det på olika sätt och med olika filosofier. Att förstå hur respektive tillverkare implementerar tekniken ger en tydlig bild av hur mångsidig och flexibel chiplet-modellen faktiskt är.

AMD och Zen-arkitekturens modulära grund

AMD var tidigt ute med att göra chiplets till en central del av sin processorstrategi. Med Zen 2-arkitekturen, som lanserades 2019, delade företaget upp processorn i separata beräkningschiplets, kallade CCD, och ett separat I/O-chip som hanterar minneskommunikation och anslutningar. De båda typerna tillverkades med olika processer, vilket gav AMD en betydande kostnadsfördel gentemot konkurrenterna.

Strategin har sedan förfinats i varje generation. I Zen 4-baserade processorer kan AMD stapla upp till tolv CCD-chiplets på ett enda I/O-chip, vilket möjliggör processorer med upp till 96 kärnor för servrar och arbetsstationer. Samma grundläggande moduler används i produkter från budgetsegmentet hela vägen upp till datacenterprocessorer, vilket gör att AMD kan återanvända hårdvara effektivt mellan produktlinjer.

Intels mer komplexa angreppssätt

Intel kom senare till chiplet-strategin men har investerat massivt i tekniken under det senaste halvdekenniet. Företagets svar på utmaningen är Foveros-tekniken, som skiljer sig från AMDs approach genom att stapla chiplets vertikalt ovanpå varandra i stället för att placera dem sida vid sida. Det möjliggör extremt täta kopplingar mellan olika chiplets och minskar avståndet som signaler behöver färdas.

Meteor Lake-generationen var Intels första konsumentprocessor byggd helt kring chiplet-principen, uppdelad i separata tiles för beräkning, grafik, I/O och energihantering. Varje tile kan tillverkas i den process som passar bäst, och Intel kombinerar i vissa fall chiplets från externa tillverkare med egna för att optimera kostnader och prestanda.

Apples tysta men effektiva implementering

Apple tar en något annorlunda väg. I stället för att dela upp ett enskilt chip i separata chiplets har företaget valt att kombinera flera kompletta chip i ett gemensamt paket, något som syns tydligast i M-seriens Ultra-varianter. M2 Ultra består exempelvis av två M2 Max-chip som länkas samman via Apples UltraFusion-interface, vilket skapar en illusion av ett enda stort chip för operativsystem och programvara.

Det smarta med Apples approach är att bandbredden mellan de två chipen är så hög att mjukvaran inte behöver anpassas för att hantera den fysiska uppdelningen. Resultatet är en processor med dubbla resurser utan de prestandaförluster som ofta förknippas med kommunikation mellan separata chip.

Gemensamt för alla tre tillverkare är att chiplet-strategin har gjort det möjligt att nå prestandanivåer och skalbarhet som helt enkelt inte hade varit ekonomiskt genomförbara med traditionell monolitisk design.

Vad chiplet-revolutionen betyder för framtidens datorer och konsumenter

Chiplets är inte bara en teknisk lösning på ett tillverkningsproblem. Det är en förändring som på sikt påverkar allt från hur mycket du betalar för din nästa dator till vilka företag som överhuvudtaget kan konkurrera på processormarknaden. Konsekvenserna börjar redan bli synliga, men de mest intressanta effekterna ligger fortfarande framför oss.

En mer demokratiserad processorindustri

En av de mest långtgående konsekvenserna av chiplet-arkitektur är att den sänker trösklarna för att designa konkurrenskraftiga processorer. Tidigare krävdes enorma investeringar för att utveckla ett komplett monolitiskt chip från grunden. Med chiplets öppnar sig möjligheten att köpa eller licensiera standardiserade moduler och kombinera dem med egenutvecklade komponenter.

Det pågår redan ett arbete inom industrin för att standardisera hur chiplets kommunicerar med varandra via det öppna UCIe-protokollet. Om det slår igenom fullt ut kan en framtida processordesigner köpa beräkningskärnor från en tillverkare, grafiklogik från en annan och minneskontroller från en tredje, och sätta ihop dem till en konkurrenskraftig produkt. Det skulle förändra hela marknadens struktur på ett sätt som gynnar innovation och konkurrens.

Vad det innebär för konsumentprodukter

För den som köper en laptop, dator eller spelkonsol kommer chiplet-tekniken att märkas på flera sätt under de kommande åren. Dels möjliggör den processorer som är bättre anpassade för specifika användningsområden, eftersom tillverkare enkelt kan konfigurera olika kombinationer av chiplets för olika produktsegment.

Dels skapar modulariteten förutsättningar för längre produktlivscykler och potentiellt uppgraderbara komponenter, något som länge varit en dröm i branschen. Några tillverkare experimenterar redan med koncept där delar av processorn skulle kunna bytas ut eller uppgraderas separat, även om det fortfarande är långt från en konsumentprodukt.

Effekterna som konsumenter kan förvänta sig inom de närmaste fem till tio åren inkluderar flera konkreta förändringar:

• Processorer med mer specialiserade kärnor för ai, grafik och beräkning i samma paket.
• Bättre energieffektivitet tack vare optimerade tillverkningsprocesser per komponent.
• Lägre priser i mellansegmentet när fler aktörer kan konkurrera med modulära designer.
• Tätare produktcykler eftersom delar av en design kan uppdateras utan att hela chipet ritas om.

Utmaningarna som fortfarande återstår

Trots all potential är chiplet-tekniken inte utan hinder. Kommunikationen mellan chiplets är snabb men fortfarande inte lika snabb som intern kommunikation inom ett monolitiskt chip. Värmehantering i tätt packade chiplet-paket är en annan teknisk utmaning som kräver allt mer sofistikerade kylningslösningar.

Standardiseringsarbetet kring UCIe går framåt men är ännu inte fullständigt implementerat av alla aktörer, vilket begränsar möjligheterna att blanda komponenter från olika tillverkare fritt. De närmaste åren kommer att visa hur snabbt dessa hinder kan övervinnas och om branschens löften om en mer öppen och modulär processormarknad verkligen infrias.