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Alchip Technologies, un diseñador por contrato de silicio de IA, insiste en su peso en los principales nodos de proceso. La compañía espera unirse a una fábrica mucho más grande a principios del próximo año con los primeros chips de prueba de 3nm del mundo.
Alchip y otros clientes de Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), como Nvidia y Qualcomm, están utilizando el N3E Process Design Kit (PDK) de TSMC para evaluar el nuevo nodo. N3E es una extensión del proceso de 3 nm de TSMC, que entrará en producción en la segunda mitad de 2022.
«Tenemos muchos clientes de computación de alto rendimiento (HPC), IA y GPU de primer nivel en todos nuestros mercados geográficos», dijo Leo Cheng, vicepresidente senior de ingeniería de Alchip, en una entrevista con EE Times. «Especialmente aquellos que trabajan en aplicaciones de centros de datos y consideran que el suministro de energía es muy crítico».
Si bien está obligado por acuerdos de confidencialidad a mantener confidenciales las identidades de los clientes de AIchip, Cheng dice que un cliente de EE. UU. es uno de los mayores proveedores de centros de datos de infraestructura como servicio. Alchip también tiene una de las compañías de IA más grandes de Japón y otra de China, sus principales clientes de HPC, en su lista de clientes.
HPC es uno de los segmentos de más rápido crecimiento de la industria de chips, sin embargo, los proveedores de centros de datos y computación en la nube que utilizan chips HPC son los que más contribuyen al calentamiento global debido a su enorme consumo de energía. Como resultado, la eficiencia energética se ha convertido en una prioridad para los clientes de Alchip.
Los clientes suelen proporcionar a la empresa criterios de consumo de energía, como teraflops por vatio.
«Los clientes se encargan ellos mismos de una cantidad muy pequeña de compensación de voltaje en el lado del regulador», dijo Cheng. “Por ejemplo, con un voltaje operativo nominal de 0,85 V, una desviación del 4 %, 35 mV es muy crítica para la compensación de voltaje en un centro de datos. De hecho, ahorrará mucha energía”.
Según Cheng, las principales formas de reducir el consumo de energía se encuentran en la fase de diseño de front-end y back-end. Una mejor arquitectura con procesamiento paralelo o distribuido ayuda en el front-end. Un cliente japonés utilizó un enfoque único.
«El chip en realidad no funciona muy rápido, solo de 500 megahercios a 1 gigahercio, pero aún podrían participar en la llamada competencia de supercomputadoras Green 500», dijo Cheng. «Ganaron y estaban incluso entre los tres primeros».
Para el backend, o diseño físico, el diseño del reloj es el enfoque, según Cheng. Alchip ofrece su estructura de reloj de malla de espina de pescado, que ofrece ventajas en términos de variación en el chip, control de sesgo, capacidad de enrutamiento y rendimiento.
«Con una buena estructura de reloj como Fishbone, no tenemos que estirar demasiado el diseño agregando demasiado margen o lógica», dijo. «El resultado es una red de reloj de bajo consumo que reduce el consumo total de energía del chip».
La empresa también ayuda a los clientes a volver a caracterizar las bibliotecas para diseños de escalado dinámico de voltaje y frecuencia para lograr un equilibrio óptimo entre rendimiento, frecuencia y consumo de energía. Según Cheng, Alchip ve muchas actividades de recaracterización en HPC, procesamiento de gráficos y aplicaciones de IA para encontrar la mejor combinación.
Otra limitación es la carcasa y su tolerancia de potencia máxima.
«Por ejemplo, un paquete puede manejar, digamos, 400 vatios», dijo Cheng. “Realmente diseñamos a partir de ahí para encontrar el mejor punto de optimización para la energía y el rendimiento. Hace muchos años, el objetivo era solo una frecuencia de 3 gigahercios o más. Pero hoy en día se puede ver claramente que el poder es lo primero. Probablemente quieran meter más núcleos y motores en cada chip”.
La compañía ve a los chiplets como la próxima ola. Con la migración a 3nm, las soluciones de chiplet pueden lograr mejores rendimientos y ahorrar costos al tiempo que minimizan el tiempo de comercialización, explicó.
La combinación de chips de diferentes fabricantes en un SoC es la parte complicada. La clave, según Cheng, es probablemente la interfaz de E/S. Por esta razón, se ha propuesto recientemente un estándar de conexión UCIe D2D (Die2Die), agregó.
ganancias de 3nm
En comparación con el nodo de 5 nm de TSMC, Cheng dice que N3 puede ahorrar más del 20 % en la disipación de energía. Para el rendimiento dinámico, la mejora es de poco más del 10%.
Para los nodos avanzados, Alchip realiza comparaciones de área de potencia de rendimiento (PPA) para los clientes, ya que N3 no es necesariamente la mejor opción.
Como uno de los primeros en adoptar N3, Alchip comenzó a usar la versión 0.7 del PDK de TSMC. En los nodos avanzados, Alchip realiza una metodología de diseño incluso si las herramientas EDA aún no están listas.
«Se nos ha encomendado la creación de diseños de nodos avanzados utilizando las versiones de herramientas EDA de los primeros usuarios», dijo Cheng. “Trabajamos con socios de herramientas EDA para encontrar y corregir vulnerabilidades. Los nodos avanzados siempre presentan un nuevo conjunto de desafíos debido a sus materiales y física”.
Con la versión 0.9 de un PDK, Alchip generalmente destaca un diseño, agregó. «Realmente necesitamos entender muy bien el proceso para informar a nuestros clientes si ese es el número real de PPA y el PPA o PPI real».
La empresa utiliza un número de correlación de silicio para ayudar a sus clientes a evaluar si sus objetivos de rendimiento o eficiencia energética son factibles.
Solo fuente de 3nm
Aunque el competidor de TSMC, Samsung, fue el primero en el mundo en ofrecer un proceso de 3nm a los clientes de fundición a principios de este año, Alchip planea confiar en TSMC para el nodo más avanzado, como 7nm y 5nm.
«En este momento, no hay otra fundición que pueda competir con TSMC en términos de preparación o control de rendimiento», dijo Cheng. “Samsung o incluso Intel, en realidad están viniendo hacia nosotros. Hasta ahora seguimos con TSMC”.
“Para Alchip, nuestro negocio principal es en realidad el negocio llave en mano. No es solo un servicio de diseño. Realmente queremos ayudar a nuestros clientes a pasar a la producción en masa. Si ese es el objetivo, queremos tener un muy buen rendimiento y todos los ecosistemas también tienen que estar ahí. TSMC todavía mantiene bien esta posición”.
