Chiplets-arkitektur öppnar nya möjligheter

Den exponentiella utvecklingen av datorkapacitet börjar slå i taket med befintlig teknik, det går inte att öka antalet transistorer på ett chip. De nya lösningarna baseras i stället på att sammankoppla ett ökande antal chiplets till ett komplett integrerat system på ett chip.

I SSF-projektet ”PRIDE: principer för beräknande minnesenheter” ska forskare på Chalmers utveckla nya lösningar inom det hittills relativt oexploaterade området. Att använda chiplets och bygga ihop större system på ett chip har många fördelar.
– Att bygga stora chip med en mängd transistorer, som vi har gjort hittills, är både kostsamt och tidskrävande, och de alstrar också mycket värme och är energikrävande. Med en chiplets-arkitektur kan vi hitta nya lösningar som är både snabbare och mer energieffektiva, förklarar professor Per Stenström, avdelningschef vid Datorteknik på Chalmers och projektledare för PRIDE.

Tar tid att hämta data från minnet
Ett av problemen med den nuvarande tekniken är att en beräkningsenhet måste hämta data från minnet för att kunna göra en beräkning, vilket tar både tid och kraft från beräkningskapaciteten. För att kunna utnyttja den större datakapaciteten som kan få plats på ett chip med en chiplets-arkitektur behöver de därför korta ner tiden det tar att förflytta data.
– I vårt projekt vill vi integrera beräkningsenheten i minnet och med en chiplets-uppbyggnad kan man få in mer minneskapacitet nära datakällan. På det sättet kan vi snabba på beräkningarna och processa data så nära datakällan som möjligt, förklarar Ioannis Sourdis, professor i datorteknik, Chalmers.

Obalans i utvecklingstakt
Den snabba utvecklingen av datorer har också inneburit att det uppstått en obalans mellan hur snabbt data kan hämtas från det externa minnet och beräkningskapaciteten på ett chip. Beräkningskapaciteten har utvecklats exponentiellt medan minnets hastighet utvecklats mer linjärt vilket skapat en problematisk obalans.
– Kapaciteten hos ett chip är därför idag begränsat av minnets hastighet. Med en chiplets-arkitektur kan man bygga in mer minne på ett chip och därmed snabba upp beräkningarna, minska gapet mellan det externa minnets hastighet och beräkningskapaciteten på ett chip, förklarar Miquel Pericas, docent i datorteknik, Chalmers.

Kommunikation en utmaning
Att jobba med chiplets är också lite som att lägga ett pussel.
– Det handlar om att tillverka små enheter, pusselbitar, som ska passa ihop i ett större pussel som sedan ska fungera som en helhet. Det finns många utmaningar med att lyckas med det, en av de saker vi tittar på är hur man kan skicka data från ett chiplet till ett annat, berättar Pedro Petersen Moura Trancoso, biträdande professor i datorteknik, Chalmers.
En annan utmaning med att börja jobba med chiplets i stället för ett enda stort chip är hur man kan programmera chiplets.
– Det handlar bland annat om programmeringspråk, hur använda de befintliga så effektivt som möjligt. Enklast skulle ju vara att bygga upp ett helt nytt programmeringsspråk för chiplets, men då skulle de inte kunna användas med tidigare utvecklade applikationer av olika slag, så det är inte en väg att gå, förklarar Miquel Pericas.

Även hårdvaran behöver uppgraderas
Utvecklingen av en chiplets-arkitektur ställer också frågor kring hårdvaran.
– Den CPU man använt hittills har en del problem och därför behöver även hårdvaran utvecklas vidare för att klara av att hantera den ökande mängden data som krävs för bland annat AI och maskininlärning. En väg att gå är att använda acceleratorer, som finns i exempelvis mobiltelefoner, för olika uppgifter, något vi tittar på i projektet, berättar Pedro Petersen Moura Trancoso.

Minskar elbehoven hos datorer
En viktig målsättning för PRIDE-projektet är att bidra till att göra framtidens datorer både snabbare och effektivare.
– Idag går cirka 3 procent av världens el till datorer, och om ingenting förändras i datorerna kommer det att vara cirka 20 procent som går till datorer år 2030. Med vår forskning vill vi bidra till att minska den siffran, säger Per Stenström.
Om de lyckas med sina målsättningar kan deras chiplets bli väldigt attraktiva på marknaden. De har redan väckt intresse hos stora industriaktörer.
– Jag tittar även på möjligheter att patentera delar av tekniken och lägga i ett företag, men vi får se när det kan bli, avslutar Per Stenström.