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Hersteller setzen auf Chiplets für modulare CPU-Systeme

CPUs erreichen weiterhin immer noch höhere Leistungen. Einige Hersteller setzen dabei auch auf die Verwendung von Chiplets. Die modulare Bauweise ermöglicht flexible Designs.

Mehrkern-CPUs galten beim Skalieren von Rechenleistung und als Basis einer Reihe neuer Technologien lange als notwendige Grundlage. Seit Anfang der 2000er Jahre haben die Hersteller die Anzahl der CPU-Kerne kontinuierlich erhöht und viele Prozessoren auf einem einzigen Chip kombiniert, um die Leistung zu steigern. Diese Fortschritte bei der Effizienz von Chips bedeutete leistungsfähigere Server, geringere Latenzzeiten im Rechenzentrum und verbesserten Verarbeitungsbandbreiten.

Den Erfolg skalierbarer Server-CPUs ermöglichen die sogenannten Chiplets. Sie bestehen genau wie Chips aus Silizium und verbessern die Ausbeute für die Hersteller, da sie weniger fehleranfällig sind, mehr Leistung bei weniger Energieverbrauch bieten und somit im Rechenzentrum die Kosten senken. Chiplets können Unternehmen beim laufenden Anpassen von Verarbeitungsleistung helfen und schaffen neue Voraussetzungen und Möglichkeiten für das Design von CPUs.

Moderne CPUs: Erweiterte Sockel und Multithreading

Anstelle eines einzelnen Verarbeitungskerns bestehen die meisten der heutigen CPUs aus mehreren Kernen, die gleichzeitig zahlreiche Funktionen ausführen. Neben Dual- und Quad-Core-CPUs stellen Hersteller auch 6-, 8-, 10-, 12- und 16-Kern-CPUs her. Größere Kerne und Multithreading ermöglichen großen Systemen horizontale Skalierung und vielfältige Anwendungsfälle.

Fortschritte im CPU-Design erfordern Milliarden mikroskopisch kleiner Transistoren, die auf einem Computerchip angebracht sind. Als die Anzahl der Transistoren auf einem Chip ausgereizt war, versuchten Hersteller, die Leistung über größere Dies zu optimieren. Dieser Ansatz führte jedoch zu einem erhöhten Stromverbrauch und steigenden Fertigungskosten.

Die CPU-Hersteller bewegen sich daher zunehmend weg von monolithischen Chips hin zu Prozessoren, die aus kleineren modularen Teilen bestehen, die auf immer neue Weise kombiniert werden können. Dies ist das Ergebnis einer größeren Vielfalt integrierter Komponenten, wie zum Beispiel Grafikschaltungen und Field-Programmable Gate Arrays (FPGA, feldprogrammierbare integrierte Schaltungen).

Obwohl Dual-Sockel-Prozessoren der seit langem etablierte Status quo sind, kommt es vor, dass Unternehmen diese CPUs nicht voll nutzen und somit für Listung bezahlen, die sie nicht benötigen. Das wachsende Rack-Stromproblem und der steigende Rechenbedarf durch datenintensive Technologien haben die Akzeptanz von Single-Sockel- und Edge-Servern erhöht; die Chiphersteller verbessern weiterhin die CPU-Leistung und -Kapazität.

Zusätzlich zu Mehrkern-CPUs schöpft Multithreading das Potential der gleichzeitigen Verarbeitung aus, um datenintensive Anwendungsfälle zu bewältigen. Darüber hinaus gleicht Multithreading Prozessorineffizienzen aus, indem es mehrere Befehlsströme gleichzeitig ausführt und dadurch die Gesamtleistung des Servers verbessert.

In einem Vierkernprozessor mit Hyperthreading erreicht die CPU beispielsweise das gleiche Threading wie ein Achtkernprozessor. Diese virtuellen Kerne teilen sich die gleichen Ressourcen und können die Gesamtrechenleistung erheblich steigern, wodurch physische CPUs erweitert werden können.

Wie Chiplets die Verarbeitungsfunktionen unterstützen können

Da schrumpfende Transistoren immer mehr zu einer Design- und Fertigungsherausforderung werden, haben sich Anbieter den Chiplets zugewandt: kleinere Siliziumbits, die in einem einzigen großen Paket angeordnet sind. Entwickelt, um eine höhere Leistung und einen effizienteren Energieverbrauch zu erreichen, tragen Chiplets dazu bei, dass Daten schneller übertragen werden und ermöglichen kleinere, billigere und besser vernetzte Rechensysteme. Wenn Teile von Chips auf einem Interposer zu einem Multichip-Modul zusammengeschichtet werden, ist es wichtig, dass diese Chips miteinander kommunizieren können.

Interconnects helfen den Chiplets bei der Kommunikation durch Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit hoher Bandbreite und erlauben ihnen, als ein einziger Chip zu funktionieren. Die Kommunikation erfolgt durch Platzierung in der Horizontalen und vertikale Verbindungen von Logikchips. Modernes, leistungsfähigeres Silizium ermöglicht es den Architekten, IP-Cores und Prozessoreinheiten mit Speicher- und E/A-Elementen (Eingabe/Ausgabe, I/O, Input/Output) frei zu neuen Formationen zu kombinieren.

Dieses Design bietet eine höhere Bandbreite und niedrigere Latenzzeiten für Prozessoren, da die Multi-Dies und Verbindungen ein Leistungsniveau liefern, das einem einzelnen, ungeteilten Stück Silizium entspricht. Getrennte Chip-Fertigungsteams können Chips entwerfen und optimieren und sie dann miteinander verbinden und anpassen, um schnell neue Systeme mit erhöhter Verarbeitungsleistung zu bilden.

Die Zukunft von Chiplet-Design und CPUs

Die Industrie treibt die Chiplet-Integration weiter voran und gründete 2019 die Arbeitsgruppe Open Domain-Specific Architecture, um Industriestandards und ein lebensfähiges Ökosystem zu etablieren. Um Chips unabhängig bauen zu können, benötigen die Hersteller einheitliche Chiplet-Produkte. Der Erfolg dieses Ansatzes hängt also davon ab, ob sie hierfür offene Standards etablieren können.

Da die mögliche Prozessorgröße beschränkt ist, haben sich die Chiphersteller darauf verlegt, CPU-Kapazität durch Multicores, Caches und Systeme auf einem Chip anstelle von schnelleren Prozessoren zu erhöhen. Mit mehreren gestapelten Chiplets in einem einzigen integrierten Schaltkreis können Hersteller Produkte aus einer Vielzahl austauschbarer CPU-Komponenten schnell zusammenstellen.

Chiplets bilden die Grundlage für künftige CPUs, die modular aufgebaut sind und für bestimmte Verarbeitungsaufgaben aus leicht verfügbaren Systemkomponenten zusammengesetzt werden können. Ingenieure könnten in Zukunft einzelne Chiplets selbst entwerfen, ohne sich um Konflikte mit Interposer-Netzwerken oder mit Chiplets anderer Hersteller kümmern zu müssen.

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