Chiplet Teknolojisi Nedir? İşlemciler Neden Birden Fazla Çipten Oluşuyor?

Chiplet teknolojisi, işlemcinin işlevlerini birden fazla küçük silikon parçaya dağıtan tasarım yaklaşımıdır. Bu parçalar aynı paket içerisinde birbirine bağlanarak ortak bir sistem oluşturur. Amaç, üretim ve tasarım esnekliğini artırırken farklı bileşenleri ihtiyaçlarına uygun biçimde geliştirebilmektir.

Chiplet Nedir?

Chiplet, daha büyük bir sistemin parçası olarak çalışmak üzere tasarlanmış ayrı bir yarı iletken yongadır. CPU çekirdekleri, giriş/çıkış devreleri, önbellek veya grafik hesaplama birimleri gibi işlevleri üstlenebilir.

Her chiplet’in farklı bir görev yapması gerekmez. Aynı hesaplama chiplet’inden birkaç tane kullanılarak işlem kapasitesi artırılabilir. Ayrıca chiplet’ler, tek başına kullanılabilen bağımsız işlemciler olmak zorunda değildir.

AMD’nin işlemci ve hızlandırıcı tasarımları, farklı işlevlere sahip yongaların ortak bağlantı altyapısıyla bir araya getirilmesine örnek oluşturur.

Chiplet Teknolojisi Nasıl Çalışır?

Monolitik tasarımda temel işlemci işlevleri tek bir silikon yonga üzerinde bulunur. Chiplet yaklaşımında ise bu işlevler ayrı üretilen parçalara dağıtılır.

Genel süreç şöyledir:

1. İşlevler bölünür: Hangi birimlerin ayrı yongalarda bulunacağı belirlenir.

2. Yongalar üretilir: Her bileşen için uygun üretim teknolojisi seçilir.

3. Testler yapılır: Parçaların çalışması ve bağlantıları değerlendirilir.

4. Paketleme gerçekleştirilir: Yongalar aynı paket içerisinde birleştirilir.

5. Ortak çalışma sağlanır: Yüksek hızlı bağlantılar üzerinden veri alışverişi yapılır.

Bu yaklaşımda yalnızca küçük çipleri üretmek yeterli değildir. Çipler arasındaki iletişim ve paketleme, işlemci tasarımının temel parçalarıdır.

Üreticiler Neden Chiplet Kullanıyor?

Üretim Verimini Artırmak

Büyük bir yongadaki üretim hatası, önemli miktarda silikon alanının kullanılamamasına neden olabilir. Küçük yongalarla çalışmak, uygun koşullarda sağlam parça elde etme oranını artırabilir.

Ancak toplam maliyet değerlendirilirken yalnızca silikon üretimi değil, test ve paketleme giderleri de hesaba katılmalıdır. Chiplet tasarımı her ürün için otomatik olarak daha ucuz değildir.

Farklı Üretim Teknolojilerini Birleştirmek

CPU veya GPU hesaplama birimleri daha gelişmiş üretim süreçlerinden yararlanabilirken bazı giriş/çıkış devreleri aynı ölçüde fayda sağlamayabilir.

Chiplet yaklaşımı, farklı ihtiyaçları olan bileşenlerin farklı üretim süreçleriyle hazırlanmasına olanak tanır. Böylece bütün işlemcinin en yeni ve pahalı süreçte üretilmesi gerekmeyebilir.

Tasarımları Yeniden Kullanmak

Aynı chiplet’in farklı ürünlerde değerlendirilmesi, tasarım çalışmalarının tekrarını azaltabilir. Üreticiler, ortak bileşenlerden farklı kapasitelere sahip ürünler oluşturabilir.

Buradaki esneklik üreticiye yöneliktir. Kullanıcının işlemci içindeki chiplet’i çıkarıp yenisiyle değiştirebileceği anlamına gelmez.

Gelişmiş Paketleme Neden Önemlidir?

Chiplet’ler yan yana yerleştirilebilir veya uygun tasarımlarda üst üste istiflenebilir. Kullanılan bağlantı yapısı; veri aktarım hızını, enerji tüketimini ve ısı dağılımını etkiler.

Örneğin Intel’in EMIB teknolojisi, yongalar arasında paket içi köprü bağlantıları kurar. Foveros ailesi ise farklı istifleme ve bütünleştirme seçenekleri sunar.

Chiplet, bir tasarım yaklaşımıdır; 2.5D ve 3D paketleme ise bileşenlerin nasıl birleştirildiğiyle ilgilidir. Bu nedenle chiplet kullanan her işlemci aynı paketleme yöntemine sahip değildir.

Hangi Alanlarda Kullanılıyor?

Chiplet yaklaşımı; masaüstü işlemcilerde, sunucularda, yapay zekâ hızlandırıcılarında ve yüksek performanslı hesaplama sistemlerinde kullanılabilir.

Özellikle daha fazla hesaplama biriminin ve yüksek bant genişlikli belleğin aynı pakette bir araya getirilmesi gereken tasarımlarda önem kazanır. AMD’nin CDNA tabanlı hızlandırıcıları, chiplet ve gelişmiş paketleme kullanımına örnektir.

Farklı Üreticilerin Chiplet’leri Birlikte Çalışabilir mi?

UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), paket içerisindeki chiplet bağlantılarını standartlaştırmayı amaçlayan açık bir belirtimdir. Hedeflerinden biri, farklı üreticilerin bileşenlerinin birlikte kullanılabildiği bir ekosistemi desteklemektir.

Ancak ortak bağlantı standardı, bütün chiplet’lerin doğrudan birbirine takılabileceği anlamına gelmez. Fiziksel paketleme, güç gereksinimleri, protokoller ve sistem tasarımı da uyumlu olmalıdır.

Chiplet Tasarımının Zorlukları Nelerdir?

Başlıca mühendislik konuları şunlardır:

• Veri aktarımı: Yongalar arası iletişim gecikme ve enerji maliyeti oluşturabilir.

• Paketleme: Bağlantı yoğunluğu arttıkça üretim ve test süreçleri zorlaşabilir.

• Isı yönetimi: Özellikle üst üste yerleştirilen aktif bileşenlerin soğutulması önemlidir.

• Sistem dengesi: Daha fazla hesaplama birimi eklemek, bellek ve bağlantılar yetersizse beklenen performansı sağlamayabilir.

Gelişmiş paketleme araştırmaları, bu bileşenlerin yüksek yoğunluklu ve güvenilir sistemler hâlinde birleştirilmesine odaklanır.

Chiplet teknolojisinin değeri, işlemciyi daha esnek biçimde tasarlamaya olanak vermesidir. Sağladığı performans ve maliyet avantajı; küçük yongaların sayısından çok, üretim süreçlerinin, bağlantıların ve paketlemenin birlikte ne kadar iyi tasarlandığına bağlıdır.

Kaynaklar: AMD — CDNA Architecture, Zen Core Architecture ve Thinking Small to Think Big: AMD Modular Architecture Is Advancing Sustainability; Intel — Advanced Packaging Innovations, Packaging & Test Research ve Heterogeneous Integration via Chiplets; UCIe Consortium — About UCIe.

Editör Notu

Bu içerik, kamuya açık yarı iletken teknolojisi kaynakları ve resmî teknik dokümantasyonlardan yararlanılarak hazırlanmış bir araştırma ve değerlendirme yazısıdır. İçerikte yer alan değerlendirmeler editoryal yorum niteliğindedir. Chiplet tasarımlarının performans ve maliyet avantajları, ürünün mimarisine ve üretim koşullarına göre değişebilir.