S'appuyant sur un concept qui remonte au moins à 1965, cette approche est la suivante : au lieu d'être construites sur une seule matrice et conçues à partir de zéro, les puces peuvent être composées de plusieurs pièces plus petites - ou chiplets - qui sont ensuite « cousues » ensemble pour former un tout.

L'introduction des chiplets - que certains ont comparé à des Lego high-tech - a résolu de nombreux problèmes.

Quels sont les avantages des chiplets ?

Ces petites puces modulaires combinées pour créer un ensemble plus puissant permet aux entreprises d'utiliser des puces plus petites au lieu d'un grand morceau de silicium monolithique. Cette conception permet également de réduire les coûts de production : les chiplets présentant un meilleur rendement de fabrication, elle réduit les pertes de manière significative. Elle permet aux entreprises d'offrir des densités de cœur considérablement accrues, permettant des performances de calcul et de mémoire bien supérieures à celles d'une puce monolithique.

Les chiplets permettent de construire le processeur de manière modulaire tout en simplifiant les processus de conception et de fabrication. Par exemple, sur les processeurs EPYC des séries 7002 et 7003, il y a une puce d'E/S centrale entourée de 8 chiplets de calcul. Cela permet de faire évoluer le nombre de cœurs de l'unité centrale de 8 à 64, tout en veillant à ce que les coûts soient optimisés dans la mesure du possible afin de garantir la valeur pour le client. Si le nombre de cœurs ne nécessite pas les 8 chiplets, seuls 2, 4 ou 6 seront utilisés, ainsi le client ne paiera pas pour du silicium inutilisé.

Cela permet également de simplifier les processus de conception et de fabrication : pour construire une pile complète de produits de 8 à 64 cœurs, AMD n'a qu'à produire deux dispositifs - la puce d'E/S et la puce de calcul - et à compléter le support avec autant de cœurs que nécessaire. Pour construire la même combinaison sur une technologie monolithique, il faudrait probablement produire 4 ou 5 dispositifs différents pour s'adapter au nombre de cœurs.

Un mécanisme d’assemblage avancé peut d’ailleurs être utilisé pour repousser les limites de performance : l'empilement de puces. Il permet d'empiler verticalement les puces les unes sur les autres, plutôt que de les répartir sur le même support avec des interconnexions plus longues entre elles. Cela permet de réduire la latence et d'améliorer les performances. AMD a été le pionnier des technologies d'empilement de puces avec l'introduction de 3D V-Cache, qui utilise des puces empilées pour tripler la quantité de cache L3 sur un processeur.

Il n'y a pas non plus de raison que les chiplets soient utilisées pour le calcul x86. Il serait possible, par exemple, de remplacer un chiplet de calcul x86 par un chiplet conçu spécifiquement comme un accélérateur d'intelligence artificielle, un moteur de délestage réseau ou tout autre dispositif dédié. Cela ouvre d'énormes possibilités pour traiter les charges de travail émergentes, sans compromettre l'exigence de calcul de base demandée par les clients.

Quel avenir pour les chiplets ?

Ce qu'AMD a accompli avec l'introduction de sa deuxième génération de processeurs EPYC il y a cinq ans est en passe de devenir la norme du secteur. Un grand nombre des plus grands noms de l'industrie des semi-conducteurs s'orientent vers des conceptions basées sur les chiplets, car les conceptions monolithiques n'étant plus évolutives, une nouvelle approche est nécessaire. 

On commence à voir les chiplets entrer dans la configuration de superordinateurs. Le plus rapide du monde, Frontier, est basé sur un processeur à base de chiplets, lui permettant d'être le premier supercalculateur à franchir la barre des Exaflop. El Capitan utilisera également des CPU et des GPU basés sur des chiplets, et devrait dépasser les 2 Exaflops. Cette approche de conception des puces permet de créer une nouvelle catégorie de systèmes dont les performances continuent d'augmenter à la pointe de la technologie. En effet, 4 des 10 premiers superordinateurs mondiaux actuels sont basés sur des chiplet AMD EPYC.

Les chiplets sont aussi prisés dans les technologies plus courantes, notamment dans les cartes graphiques, en tant que microarchitecture évolutive pouvant être facilement appliquée à différents segments.

Quelle est la prochaine étape ? Plusieurs des plus grands fabricants de puces, parmi lesquels AMD, soutiennent une nouvelle norme pour l’interopérabilité des puces fabriquées par différentes entreprises. L'« Universal Chiplet Interconnect Express » ou « UCIe » pourrait permettre aux fabricants de puces de mixer et d’agréger le silicium de différents fournisseurs sur un seul et même support.

Une chose est sûre : l'introduction des chiplets continue de favoriser l’émulation au sein de l'industrie des semi-conducteurs.