Quad-Die-Aufbau

Ein Computerchip entsteht aus einer dünnen Scheibe Silizium. Aus dieser Scheibe werden kleine rechteckige Plättchen herausgeschnitten, auf denen die eigentliche Schaltung sitzt. Ein solches Plättchen nennt man in der Fachsprache Die, gesprochen wie das englische Wort für Würfel. Bei einem Quad-Die-Aufbau steckt der Hersteller nicht ein einziges, sondern vier dieser Plättchen in ein gemeinsames Gehäuse. Sie sind über sehr kurze Leitungen miteinander verbunden und treten nach außen als ein einziger Chip auf. Für den Computer, der ihn benutzt, sieht das aus wie ein besonders leistungsfähiges Bauteil.

Warum vier kleine Plättchen billiger sind als eines

Bei der Herstellung von Silizium entstehen unvermeidlich winzige Fehler. Sie verteilen sich mehr oder weniger zufällig über die ganze Scheibe. Ein Plättchen mit einem Fehler an der falschen Stelle ist unbrauchbar und wandert in den Müll. Je größer ein Plättchen ist, desto wahrscheinlicher trifft es einen dieser Fehler. Der Anteil der brauchbaren Plättchen heißt Ausbeute, und er sinkt bei großen Flächen dramatisch.

Genau hier liegt der wirtschaftliche Reiz. Vier kleine Plättchen mit je einem Viertel der Fläche haben zusammen eine deutlich höhere Ausbeute als ein einzelnes großes. Fällt eines aus, verliert man nur ein Viertel statt des kompletten Chips. Bei modernen Fertigungsverfahren kostet eine einzelne Siliziumscheibe schnell mehr als zwanzigtausend Dollar. Ein paar Prozentpunkte Ausbeute entscheiden dann über Gewinn oder Verlust.

Dazu kommt eine physikalische Grenze. Die Maschinen, die die Schaltung auf das Silizium belichten, können nur ein Feld von etwa 26 mal 33 Millimetern auf einmal bearbeiten. Größer geht ein einzelnes Plättchen technisch kaum. Wer mehr Rechenleistung in einem Bauteil will, muss also mehrere Plättchen kombinieren.

Vier Plättchen, ein gemeinsames Gehäuse

Die vier Dies liegen auf einer gemeinsamen Trägerplatte, dem sogenannten Interposer. Diese Platte enthält tausende feine Leitungen und verbindet die Plättchen untereinander. Weil die Wege nur wenige Millimeter lang sind, fließen Daten dort viel schneller als zwischen zwei getrennten Chips auf einer Platine. Manche Hersteller stapeln die Plättchen sogar übereinander und verbinden sie durch senkrechte Kanäle im Silizium.

Nicht jedes der vier Plättchen muss dasselbe tun. Häufig sind zwei für Rechenarbeit zuständig und zwei für Speicher oder Ein- und Ausgabe. Man kann sie dann sogar in unterschiedlichen Fabriken und mit unterschiedlich modernen Verfahren fertigen. Diese Bauweise aus spezialisierten Teilstücken nennt man Chiplet-Design, und der Quad-Die-Aufbau ist ein Sonderfall davon mit genau vier Teilen.

Ganz umsonst gibt es den Vorteil nicht. Jede Verbindung zwischen zwei Plättchen kostet ein wenig Zeit und Energie. Software, die Daten ständig zwischen den vier Teilen hin und her schiebt, läuft langsamer als auf einem echten Einzelchip. Außerdem entsteht auf engem Raum viel Abwärme, die gekühlt werden muss.

Quad-Die in Grafikkarten und Rechenzentren

Am häufigsten liest man von solchen Aufbauten bei Beschleunigern für künstliche Intelligenz. Die großen Chips von Nvidia, AMD und Intel bestehen längst nicht mehr aus einem Stück Silizium. Wenn ein Hersteller eine neue Generation ankündigt und von doppelter Leistung spricht, steckt oft schlicht die doppelte Zahl an Plättchen dahinter. Auch Serverprozessoren nutzen das Prinzip seit Jahren.

Im Alltag begegnet der Begriff eher selten, dafür umso öfter in Quartalszahlen und Analystenberichten. Dort geht es um Ausbeute, Verpackungskapazität und Lieferengpässe bei genau diesen Gehäusen. Die Verpackung ist inzwischen ein eigener Flaschenhals: Es gibt weltweit nur wenige Fabriken, die mehrere Plättchen präzise genug zusammensetzen können. Wer über Chip-Aktien liest, stößt deshalb regelmäßig auf das Thema.