¿Qué son los chiplets? ¿Cómo funcionan y por qué son el futuro del hardware?

Los chiplets no son una novedad, ya que se encuentran entre nosotros desde que AMD lanzara sus CPU Ryzen 3000 para equipos de sobremesa. Sin embargo, no nos damos cuenta y el tiempo vuela, y poco a poco el concepto de crear lo que antes era un chip hecho en una sola pieza es cada vez menos común. Quizás esta forma de fabricar un chip te resulte familiar con el concepto de chip monolítico. Sin embargo, ¿a qué se debe esta tendencia y que limitaciones y ventajas supone en el diseño y fabricación de nuevos semiconductores? Seguid leyendo si queréis las respuestas.

El concepto de chiplet, o tile, como los llama Intel en su marketing, consiste en diseños compuestos por varios chips o tiles. Un proceso que consiste en separar o disgregar un solo chip. Sin embargo, dicha tendencia no es una simple moda, sino que cada vez está siendo adoptada por los diferentes fabricantes para sus diferentes diseños y cada vez son más los que están siguiendo dicha tendencia. 

¿Qué son los chiplets?

Los sistemas multichip han existido desde el inicio de la informática. Sin embargo, cuando hablamos de chiplets no nos referimos a los clásicos MCM ("Módulo de Varios Chips" en español). En este caso lo podríamos llamar la disgregación o separación de un chip en varios distintos, en los que cada uno de ellos tiene una funcionalidad distinta dentro del todo. Se trata, por tanto, de un proceso totalmente contrario a la integración de componentes producto de la reducción de tamaño de los diferentes transistores por la litografía.

No obstante, cada vez aparecen más diseños basados en chiplets al mercado. En estos no solo nos encontramos con un chip que se divide en diferentes piezas, sino que además muchas veces la división es entre diferentes procesos de fabricación. El motivo principal de hacer esto es poder superar el tamaño límite que tiene un chip si se fabricara de una sola pieza (monolítico). Este tamaño viene definido por el tamaño de las fotomáscaras. Estas no pueden superar un tamaño de 26 mm de ancho por 33 mm de alto. Es decir, 858 mm². Claro está, que el tamaño se reducirá a la mitad, a los 429 mm² por el uso de litografías basadas en High-NA EUV por el uso de lentes amorfas.

Es decir, que la evolución a los chiplets de varias arquitecturas responde en principio a dos obstáculos. El primero de ellos es poder superar el tamaño de los chips. El segundo es tener todo listo para un futuro en el que cualquier diseño por encima de los 429 mm² de tamaño tenga que plantearse con varios chips por obvias limitaciones físicas.

Factores económicos adicionales que justifican su existencia

Ahora bien, en principio la idea de dividir el chip en distintos chiplets por motivos de litografía, al menos en la actualidad, parece no tener justificación en el mundo del PC doméstico. Por ejemplo, la GPU más potente, la GeForce RTX 4090. Esta hace uso de un chip gráfico NVIDIA AD102 con un diseño monolítico. Con un tamaño de 608,5 mm², está lejos de los 858 mm² de límite. Si ya hablamos de una CPU, el Core i9-14900K presenta un tamaño muy inferior, con 257 mm². Por lo que a simple vista no parece que esté muy justificado el tema de los chiplets, al menos en PC.

La otra cara de la moneda es AMD, pero en su caso se entiende una forma muy concreta. El diseño de sus CPU y GPU por con un diseño chiplet no se basa en dividirlo todo porque sí. La idea es crear una parte repetida en el chip para así poderla escalar en diferentes diseños.

Por ejemplo, los CCD (Core Chiplet Die) de sus CPU pueden utilizarlos en toda su gama de procesadores. Es decir, en los Ryzen, Threadripper y EPYC. Y todo ello sin necesidad de rediseñar un nuevo conjunto de núcleos. En GPU tenemos los MCD que son la interfaz de memoria y la caché de último nivel, los cuales son elementos repetidos también.

Otro punto es el hecho de que los costes de desarrollo y despliegue de las nuevas litografías es tan alto que ya no es suficiente con el tiempo de vida de unas pocas generaciones de productos. De ahí a que se utilicen chiplets de diferentes litografías y, en algunos casos incluso de distintos fabricantes, en el diseño y producción de cada chip. 

Un ejemplo muy claro los nuevos procesadores Intel Core Ultra (Meteor Lake). Estos ofrecen un diseño chiplet dividido en cinco partes (CPU Tile, iGPU Tile, SoC, I/O Die y base del die 3D Forevos). Lo más llamativo, es que estos combinan nada menos que cuatro procesos de fabricación: Intel 4, Intel 16 y TSMC a 6 nm y 5 nm.

Limitaciones existentes

Si bien no ocurre en todos los diseños, nos encontramos con que existen tipos de chip, especialmente en las GPU. Estas requieren enormes anchos de banda para la intercomunicación entre las diferentes partes. Al separarlos y aumentar la longitud de los cables internos, por efectos de la resistencia eléctrica, conlleva un aumento en el coste energético en la transferencia de datos.

Es por ello que muchos diseños utilizan un interposer. Este es un chip que se coloca en la base y permite la intercomunicación entre las diferentes partes. En un interposer la comunicación con los diferentes chips se hace en vertical. El interposer es una pieza de gran tamaño, habitualmente fabricado bajo un nodo de fabricación más antiguo que el resto.

Los interposers en un chiplet reducen el consumo energético por el hecho que su uso permite aumentar la cantidad de interconexiones. Lo cual para conseguir un mismo ancho de banda permite usar en los diseños velocidades de reloj más bajas y con ello también voltajes menores.

El mayor handicap es que se trata no solo de una pieza más aplicada al diseño, sino también a una serie de pasos adicionales. Esto no solo encarece la fabricación, sino que además añade más probabilidades de fallo durante el proceso de manufactura. Aun así, y tal y como hemos comentado antes, la adopción de litografías basadas en tecnología High-NA EUV forzará al uso de interposers en varios diseños. En especial los que tengan una GPU en su interior, como ya hemos visto en los Intel Meteor Lake.

El futuro de los chiplets: diferentes marcas en un solo diseño

Actualmente, los diferentes microprocesadores, independientemente de su función, que están disgregados por chiplets tienen piezas de un mismo diseñador, independientemente de donde se fabriquen. Es por ello que ya para terminar, hemos de hablar del futuro de los chiplets, y es que gracias al estándar de intercomunicación entre estos, el llamado UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), se hará posible combinar piezas no solo de diferentes fabricantes, sino diseños de distintas marcas según las necesidades de cada fabricante. ¿Qué queremos decir con esto? Bueno, por ejemplo en un futuro puede que veamos una consola con una CPU de AMD y una GPU integrada de NVIDIA como chiplets.

Este nivel de modularidad cambiará las cosas a futuro. Por ejemplo, y de cara a los controladores de memoria de los chips gráficos, es posible que en vez de ser cada uno de su padre y de su madre terminen teniendo un proveedor en común.

Cosas como aceleradores para tareas concretas como criptografía, unidades de procesamiento de imagen y muchos otros elementos puede que se externalicen a empresas con conocimientos mucho más especializados en vez de hacerse en una sola empresa. Es decir, si una marca en concreto tiene deficiencias en ciertas áreas, en lo que a rendimiento se refiere, veremos cómo adoptarán soluciones de terceros.

No solo eso, sino que los Interposers ya están dejando de ser una simple vía de comunicación para integrar funcionalidades adicionales. Ya sea en forma de unidades de apoyo adicionales o incluso albergando cachés globales de último nivel en diseños concretos. Claro está que para ver los primeros diseños heterogéneos, en lo que a tener diseños de diferentes fabricantes se refiere, pues aún deberemos esperar un poco.