[0] Why Chiplets?

개별적으로 패키징되고 상호 연결된 작은 기능으로 대규모 시스템을 구축하는 것이 더 경제적인 것으로 입증될 수 있습니다. 
(고든 무어)

 

 

 칩렛(Chiplet)이 중요해지게 된 이유는 반도체 산업의 여러 기술적, 경제적 변화와 도전 과제에 기인합니다. 칩렛 기술은 이러한 문제들을 해결하고 새로운 기회를 제공하는 중요한 접근 방식으로 떠오르고 있습니다. 다음은 칩렛이 중요해진 주요 이유들입니다:

 

1. 무어의 법칙 한계

• 무어의 법칙은 반도체 업계에서 오랜 기간 동안 사용된 법칙으로, 동일한 비용으로 칩에 집적할 수 있는 트랜지스터 수가 약 18~24개월마다 두 배로 증가한다고 예측했습니다. 하지만 최근 몇 년 동안 트랜지스터의 집적도 증가 속도는 점차 둔화되고 있으며, 칩 제조 공정의 미세화(예: 5nm, 3nm 노드)도 물리적 한계에 다다르고 있습니다.
• 칩렛은 이러한 한계를 극복할 수 있는 대안으로 떠오릅니다. 칩렛 기술을 사용하면 여러 개의 소형 칩(칩렛)을 조합하여 큰 시스템을 구성할 수 있기 때문에, 더 이상 하나의 칩에 모든 기능을 집적할 필요가 없으며, 설계 및 제조에서 더 유연한 접근이 가능해집니다.

2. 성능과 효율성 최적화

• 칩렛을 사용하면 각 칩렛을 각각의 최적화된 프로세스 노드에서 제조할 수 있습니다. 예를 들어, 고성능 로직은 최신 공정에서, 메모리와 같은 다른 기능은 더 경제적인 공정에서 제조할 수 있습니다.
• 이렇게 다양한 공정 노드에서 칩렛을 제조하고 통합함으로써, 전체 시스템의 성능과 효율성을 최적화할 수 있습니다.

3. 비용 절감

• 최신 반도체 공정은 매우 비용이 많이 들며, 웨이퍼의 결함률도 높아질 수 있습니다. 큰 단일 칩을 설계할 경우, 결함이 발생하면 전체 칩이 불량이 될 수 있어 비용이 증가합니다.
• 칩렛 접근 방식에서는 각 칩렛을 별도로 제조하고, 결함이 있는 칩렛만 교체할 수 있기 때문에 전체 비용이 절감됩니다. 또한, 칩렛을 재사용하거나 다양한 제품에 동일한 칩렛을 활용함으로써 설계 및 제조 비용을 줄일 수 있습니다.

4. 시스템 설계의 유연성

• 칩렛 기술은 시스템 설계자에게 더 큰 유연성을 제공합니다. 다양한 칩렛을 조합하여 다양한 고객 요구에 맞춘 맞춤형 시스템을 신속하게 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 애플리케이션에 맞춰 GPU, 메모리, 인터페이스 등을 자유롭게 구성할 수 있습니다.
• 또한, 칩렛을 통해 설계 시간과 제품 출시 시간을 단축할 수 있습니다. 이미 검증된 칩렛들을 조합하는 방식으로 새로운 제품을 빠르게 개발할 수 있기 때문입니다.

5. 전력 효율성과 열 관리

• 칩렛은 전력 효율성과 열 관리 측면에서도 유리합니다. 여러 개의 소형 칩으로 구성된 시스템은 단일 대형 칩에 비해 열이 더 고르게 분산되며, 전력 소모가 줄어드는 경향이 있습니다.
• 이는 특히 고성능 컴퓨팅(HPC)이나 데이터 센터와 같은 전력 및 열 관리가 중요한 응용 분야에서 큰 이점으로 작용합니다.

6. Heterogeneous Integration

• 칩렛 기술은 이종 통합(Heterogeneous Integration)을 가능하게 합니다. 즉, 다른 기술과 기능을 가진 칩렛을 하나의 패키지 안에 통합함으로써, 다양한 기능을 한꺼번에 구현할 수 있습니다.
• 예를 들어, 로직 칩, 메모리 칩, RF 칩 등을 하나의 패키지 안에 통합하여 시스템의 성능과 효율성을 극대화할 수 있습니다.

칩렛(Chiplet) 기술을 활용한 주요 사례

1. Intel의 Meteor Lake

Intel

Meteor Lake는 Intel의 차세대 클라이언트 프로세서 아키텍처로, 칩렛 기술을 활용한 SoC(System on Chip)입니다. 이 프로세서는 여러 개의 칩렛(die)을 조합하여 하나의 패키지로 통합한 형태를 가지고 있습니다.

• 구성 요소:
  • Compute Tile: 고성능 CPU 코어가 포함된 칩렛으로, 최신 공정 기술을 활용해 높은 성능을 제공합니다.
  • GPU Tile: 내장 그래픽 칩셋이 포함된 칩렛으로, 고해상도 그래픽 처리와 AI 워크로드를 담당합니다.
  • SoC Tile: 메모리 컨트롤러, I/O 인터페이스, 전력 관리 기능 등을 포함한 칩렛으로, 시스템 전반의 데이터 전송과 통합을 관리합니다.
  • I/O Tile: 다양한 외부 장치와의 연결을 담당하며, PCIe, USB, Thunderbolt 등의 인터페이스를 지원합니다.
• 장점:
  • 각 칩렛이 최적화된 공정 노드에서 제조되어, 성능과 전력 효율성을 극대화할 수 있습니다.
  • 모듈형 설계로 인해 다양한 제품 라인업에서 칩렛을 재사용하거나 맞춤형 설계를 할 수 있어 개발 비용을 절감할 수 있습니다.

2. AMD의 EPYC 프로세서

AMD

EPYC는 AMD의 서버용 프로세서 라인으로, 고성능 컴퓨팅(HPC)과 데이터 센터용으로 설계되었습니다. EPYC 프로세서들은 칩렛 기술을 활용하여 고성능과 확장성을 제공합니다.

• 구성 요소:
  • Core Complex Die (CCD): 각 CCD에는 8개의 CPU 코어가 포함되어 있으며, 이들이 서로 연결되어 멀티코어 성능을 제공합니다.
  • I/O Die (IOD): 여러 개의 CCD를 연결하여 데이터 전송을 관리하며, 메모리 컨트롤러, PCIe 인터페이스, 인피니티 패브릭(AMD의 고속 데이터 전송 기술) 등을 포함합니다.
• 장점:
  • 여러 개의 CCD를 결합함으로써 64코어 이상의 높은 코어 수를 구현할 수 있습니다.
  • CCD와 IOD가 각각 최적화된 공정 노드에서 제조되어, 전력 소모를 줄이고 성능을 최적화할 수 있습니다.
  • 높은 메모리 대역폭과 I/O 성능을 통해 데이터 센터의 요구사항을 충족합니다.

3. NVIDIA의 Grace Superchip

NVIDIA

Grace Superchip은 NVIDIA의 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 AI/ML 워크로드를 위한 차세대 프로세서로, 칩렛 기반 설계를 채택하고 있습니다. Grace는 NVIDIA의 첫 ARM 기반 CPU로서, 강력한 병렬 처리 성능과 높은 전력 효율성을 제공하는 것이 특징입니다.

• 구성 요소:
  • Grace CPU 칩렛: 고성능 ARM 코어가 포함되어 있으며, 고밀도 메모리와 통합되어 AI/ML 및 HPC 워크로드에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
  • NVIDIA NVLink: 고속 데이터 전송을 위한 인터커넥트 기술로, 여러 개의 칩렛과 GPU 사이의 데이터 전송을 최적화합니다.
• 장점:
  • 높은 메모리 대역폭을 제공하며, AI/ML 모델의 트레이닝과 추론에서 강력한 성능을 발휘합니다.
  • 칩렛 기반 설계를 통해 확장성과 효율성을 극대화하여, 다양한 데이터 센터 및 슈퍼컴퓨팅 환경에 적합합니다.
  • NVLink를 활용한 고속 데이터 전송을 통해 여러 칩렛 간의 병렬 처리를 효과적으로 관리할 수 있습니다.

 

 

 

결론

칩렛은 반도체 기술의 발전과 함께 무어의 법칙의 한계, 비용 효율성, 설계 유연성, 성능 최적화 등의 문제를 해결할 수 있는 중요한 기술로 자리잡고 있습니다. 칩렛 기술은 단일 칩 설계의 복잡성과 한계를 극복할 수 있는 대안으로, 다양한 프로세스 노드와 기술을 조합하여 더 강력하고 효율적인 시스템을 구현할 수 있는 길을 열어줍니다. 이러한 이유들로 인해 칩렛 기술이 반도체 업계에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

 

 

다음 포스팅 Chiplet 간 통신 프로토콜 표준인 UCIe에 대해 자세히 알아보도록 합시다.