Chiplet
Ein Chiplet ist ein kleiner Baustein aus Silizium, der zusammen mit anderen solchen Bausteinen in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem großen Prozessor zusammengesetzt wird. Diese Bauweise ist billiger und flexibler, als einen ganzen Prozessor aus einem einzigen Stück zu fertigen.
Ein Prozessor ist das Rechenteil in Computern, Handys und Servern. Lange wurde er als ein einziges großes Stück Silizium hergestellt, also aus einer zusammenhängenden Platte. Heute setzen Hersteller ihn oft aus mehreren kleinen Stücken zusammen. Diese kleinen Stücke heißen Chiplets. Sie sitzen nebeneinander oder gestapelt in einem gemeinsamen Gehäuse und sind über feine Leitungen miteinander verbunden. Nach außen wirkt das Ganze wie ein einziger Prozessor.
Warum große Chips am Stück so teuer sind
Silizium wird in runden Scheiben gefertigt, den sogenannten Wafern. Auf so einer Scheibe entstehen viele Chips gleichzeitig. Dabei passieren unvermeidlich winzige Fehler, verteilt über die ganze Scheibe. Jeder Chip, der einen solchen Fehler abbekommt, ist Ausschuss.
Hier liegt der entscheidende Rechenvorteil der Chiplets. Ist ein Chip sehr groß, trifft ihn ein Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit, und ein teures Bauteil landet im Müll. Sind die Chips klein, betrifft derselbe Fehler nur ein kleines Stück. Der Rest der Scheibe bleibt brauchbar. Der Anteil funktionierender Chips, in der Branche Yield genannt, steigt dadurch deutlich.
Dazu kommt Flexibilität. Ein Hersteller kann dasselbe Rechen-Chiplet in einem günstigen Laptop-Prozessor und in einem teuren Serverchip verwenden, nur in unterschiedlicher Anzahl. Er muss dann nicht für jede Produktvariante ein komplett neues Design entwickeln. Das spart Entwicklungszeit und viel Geld.
Wie die Einzelteile zusammenfinden
Man kann sich einen Chiplet-Prozessor wie eine Wohnung aus Fertigmodulen vorstellen. Küche, Bad und Wohnraum werden getrennt produziert und erst auf der Baustelle verbunden. Bei Prozessoren übernimmt diese Baustelle ein Trägerplättchen im Gehäuse. Es heißt Interposer oder Substrat und enthält die Leitungen zwischen den Chiplets.
Die Verbindungen müssen extrem schnell sein. Zwischen zwei Chiplets fließen Daten in einer Größenordnung, bei der normale Platinenleitungen hoffnungslos zu langsam wären. Deshalb liegen die Chiplets sehr dicht beieinander, teilweise auch übereinander gestapelt. Für die Sprache, in der sie miteinander reden, gibt es inzwischen einen offenen Industriestandard namens UCIe.
Ein weiterer Vorteil: Nicht jedes Chiplet muss mit derselben Fertigungstechnik gebaut werden. Die Rechenkerne entstehen im teuersten und modernsten Verfahren. Anschlüsse für USB oder Speicher funktionieren dagegen auch in älterer, viel billigerer Technik. Genau diese Mischung ist einer der Hauptgründe, warum sich die Bauweise durchgesetzt hat.
Chiplets in aktuellen Prozessoren und KI-Beschleunigern
AMD hat die Bauweise ab 2019 im großen Stil in seine Ryzen- und Epyc-Prozessoren gebracht und damit gegenüber Intel viel Boden gutgemacht. Intel setzt inzwischen ebenfalls auf Chiplets, dort meist Tiles genannt. Auch Apple nutzt das Prinzip: Der M-Ultra-Chip besteht aus zwei verbundenen Einzelchips.
Besonders wichtig sind Chiplets bei Grafik- und KI-Beschleunigern. Nvidias und AMDs Rechenkarten für Rechenzentren bestehen aus mehreren Silizium-Bausteinen plus gestapelten Speicherblöcken im selben Gehäuse. Ohne diese Bauweise wären solche Chips schlicht zu groß für die Fertigung. Wenn in Wirtschaftsnachrichten von Engpässen beim sogenannten Advanced Packaging die Rede ist, geht es genau um das Zusammensetzen dieser Bausteine.
Ein verbreiteter Irrtum ist, Chiplets seien dasselbe wie mehrere Rechenkerne. Das stimmt nicht. Kerne gab es schon lange in einem einzigen Chip. Chiplets beschreiben nicht die Rechenstruktur, sondern die physische Bauweise: mehrere getrennt gefertigte Siliziumstücke in einem Gehäuse.