Chiplet-Architektur

Früher war ein Prozessor immer ein einziger zusammenhängender Siliziumblock. Heute gibt es eine Alternative: Man baut mehrere kleinere Bausteine getrennt voneinander und verbindet sie danach auf einem Träger zu einem Gesamtchip. Diese kleineren Bausteine heißen Chiplets, das Prinzip dahinter Chiplet-Architektur. Das Ergebnis sieht für die Software aus wie ein einziger Prozessor – intern besteht er aber aus mehreren eigenständigen Teilen. Das klingt zunächst umständlich, löst aber ein grundlegendes Problem der Halbleiterfertigung.

Das Größenproblem in der Chipfertigung

Je größer ein Chip ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass beim Herstellen ein winziger Fehler in seinem Inneren landet. Ein fehlerhafter Chip ist Ausschuss. Bei einem sehr großen Chip steigt die Chance für so einen Fehler stark an, und damit der Anteil unbrauchbarer Produkte. Das treibt die Kosten massiv in die Höhe.

Kleine Chiplets haben eine viel geringere Fläche, deshalb fällt weit weniger Ausschuss an. Selbst wenn ein Chiplet fehlerhaft ist, wirft man nur dieses eine Teil weg – nicht den gesamten, teuer gefertigten Block. Außerdem können verschiedene Chiplets in unterschiedlichen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Man wählt für jeden Baustein genau den Prozess, der dafür am sinnvollsten ist, statt alles in ein einziges Verfahren zu zwingen.

Wie Chiplets zusammenwachsen

Die einzelnen Chiplets werden auf einem Substrat – einer Art Trägerplatte – nebeneinandergelegt und elektrisch verbunden. Diese Verbindung ist der kritische Punkt. Daten müssen zwischen den Chiplets sehr schnell hin und her fließen, ohne dass dabei viel Energie verloren geht. Dafür gibt es spezielle Verbindungstechniken, zum Beispiel dicht gepackte Leiterbahnen direkt auf dem Substrat oder sogenannte Interposer, also Zwischenschichten aus Silizium, die die Chiplets besonders eng aneinanderkoppeln.

Ein konkretes Beispiel: AMDs EPYC-Prozessoren für Rechenzentren bestehen aus bis zu acht Recheneinheiten-Chiplets, die auf einem gemeinsamen Träger sitzen. Jede Recheneinheit wird separat gefertigt, im modernsten verfügbaren Verfahren. Der Ein- und Ausgabe-Chip, der die Verbindung nach außen herstellt, nutzt dagegen ein älteres, günstigeres Verfahren. Diese Kombination spart Kosten, ohne Rechenleistung zu opfern. Ein monolithischer Chip – also ein einziger großer Block – dieser Größe wäre schlicht zu teuer herzustellen.

Eine wichtige Herausforderung bleibt: Die Verbindung zwischen zwei Chiplets ist langsamer als die Verbindung innerhalb eines einzelnen Chips. Ingenieure müssen deshalb sorgfältig planen, welche Teile des Prozessors häufig miteinander kommunizieren – und diese möglichst im selben Chiplet unterbringen.

Chiplets in Produkten und Schlagzeilen

Chiplet-Architekturen sind längst kein Nischenthema mehr. AMD setzt das Prinzip seit 2019 in seinen Ryzen- und EPYC-Prozessoren konsequent ein und hat damit Intel zeitweise bei der Rechenleistung überholt. Intels Core Ultra Prozessoren der aktuellen Generation nutzen ebenfalls Chiplets. Auch Apples M-Serie kombiniert intern mehrere Bausteine, auch wenn Apple diesen Begriff selbst nicht immer verwendet.

Im Bereich künstlicher Intelligenz spielt das Thema eine wachsende Rolle. Grafikprozessoren für KI-Training, etwa von Nvidia, werden immer größer – und stoßen damit an dieselben Fertigungsgrenzen, die Chiplets lösen sollen. Nvidias H100-Chip ist noch monolithisch, aber die Branche diskutiert offen, ob zukünftige KI-Chips nicht zwingend auf Chiplet-Designs umsteigen müssen, um überhaupt noch skalierbar zu bleiben.

Auch politisch ist das Thema relevant. Die USA und die EU investieren Milliarden in eigene Chipfabriken – und Chiplet-Architekturen sind dabei ein strategischer Vorteil, weil man Teile eines Chips in verschiedenen Ländern fertigen und dann zusammensetzen kann. Wer das Prinzip versteht, versteht auch, warum Halbleiterpolitik heute so komplex ist.