مقدمه
در دنیای دیتا‌سنترها و سرورها، نیاز به افزایش عملکرد، کاهش هزینه تولید، بهبود بازده انرژی و ارتقای مقیاس‌پذیری پردازنده‌ها به‌سرعت در حال افزایش است. یکی از کلیدهای این تحولات، مفهوم چیپلت (Chiplet) یا معماری چندپکیج (multi-die) است. در این مقاله، ابتدا معماری چیپلت‌ها را تعریف می‌کنیم، سپس به کاربرد آن‌ها در پردازنده‌های سرور می‌پردازیم، با تمرکز ویژه بر نسل‌های Intel Xeon Scalable و پشتیبانی از PCIe Gen5، و در پایان آیندهٔ این معماری و تأثیر آن بر اکوسیستم سرور را بررسی خواهیم کرد.
چیپلت چیست؟
چیپلت به قطعات نیمه‌هادی کوچکتر گفته می‌شود که به‌جای تولید یک تراشه بزرگ یکپارچه (monolithic die)، چندین «تراشه کوچکتر» یا «یاتای کوچک» در یک بسته (package) کنار هم قرار می‌گیرند و از طریق بسته‌بندی پیشرفته یا مسیرهای بسیار سریع با هم ارتباط برقرار می‌کنند.
در معماری سنتی تراشه‌های بزرگ، تولید یک دیای بزرگ ممکن است با مشکلات بازده تراشه (yield)، هزینه تولید بالا و محدودیت‌های فرآیند مواجه شود.
با استفاده از چیپلت‌ها، تولیدکننده می‌تواند هر چیپلت را با فرآیند مناسب تولید کند (مثلاً هسته‌ها روی فرآیند ریزتر، بخش I/O روی فرآیند بزرگ‌تر) و سپس آن‌ها را به بسته‌ای متصل نماید.
مزایایی مانند هزینه کمتر، مقیاس‌پذیری بهتر، انعطاف در طراحی و ارتقای عملکرد رخ می‌دهد.
تحقیقات نیز نشان داده‌اند که با طراحی بهینهٔ چیدمان چیپلت‌ها، می‌توان تا حدود ۱۳۰ ٪ پهنای باند بیشتر یا کاهش تا ۱۹ ٪ در تأخیر ارتباط بین چیپلت‌ها را داشت.
چرا چیپلت برای سرورها مهم است؟
سرورها با مجموعه‌ای از چالش‌ها روبرو هستند: تعداد هسته‌های بیشتر، حافظه بزرگ‌تر، پهنای باند I/O بالا، مصرف انرژی پایین‌تر، حرارت کمتر، و هزینه کلی مالکیت (TCO) پایین‌تر. معماری چیپلت به‌صورت ویژه برای پاسخ به این چالش‌ها طراحی شده است:
تولید تراشه‌های بزرگ با هسته‌های زیاد سخت‌تر و گران‌تر است؛ ولی با چیپلت، صنعت می‌تواند چند قطعه را تولید کرده و کنار هم قرار دهد تا به تعداد هسته موردنظر برسد.
همچنین، می‌توان از فرآیندهای متفاوت برای بخش‌های گوناگون استفاده کرد: مثلاً هسته‌ها با فرآیند نود پیشرفته‌تر، I/O با نود اقتصادی‌تر.
از منظر سرورها، یک بسته چیپلت می‌تواند رابط‌های I/O، کنترلرهای حافظه، شتاب‌دهنده‌ها، کش‌آخر سطح (LLC) و هسته‌های CPU را با انعطاف بالا ترکیب کند.
به‌عنوان مثال، مقاله‌ای درباره تراشهٔ دیتاسنتر Intel Emerald Rapids بیان می‌کند که این چیپ‌ها «دو چیپلت ۳۲ هسته‌ای را با تکنولوژی EMIB به هم پیوند می‌دهند» و از PCIe Gen5 و CXL 1.1 پشتیبانی می‌کنند. این نشان می‌دهد که چیپلت‌ها نه‌تنها یک مد طراحی هستند، بلکه به‌صورت عملی در پردازنده‌های سرور به‌کار رفته‌اند.
معماری چیپلت در پردازنده‌های سرور: مثال‌ها
در ادامه، به چند نمونه واقعی در حوزه سرورها می‌پردازیم که نشان‌دهنده کاربرد معماری چیپلت هستند.
مثال: نسل پنجم Xeon Scalable
شرکت Intel در نسل پنجم از Xeon Scalable خود (۵th Gen Xeon Scalable) پشتیبانی از PCIe Gen5، DDR5، CXL را عرضه کرده است. با این حال، نسخه‌هایی از این نسل نیز با معماری چیپلت ترکیب شده‌اند.
مثال: نسل بعدی «Granite Rapids»
در مقاله‌ای از Tom’s Hardware آمده است: «پردازنده‌ی ۶th Gen Xeon Scalable ‘Granite Rapids’ از طراحی تفکیک‌شده (disaggregated) با پنج چیپلت استفاده می‌کند: سه چیپلت هسته‌ها (Performance-cores) و دو چیپلت HSIO (ورودی/خروجی)». این طراحی نشان می‌دهد که چیپلت‌ها در سطح بالا برای سرورها به کار رفته‌اند تا تعداد هسته‌ها، حافظه‌ها، کانال‌های DDR5 و خطوط PCIe را افزایش دهند.
چیپلت و PCIe Gen5
در نسل‌های جدید، پشتیبانی از خطوط I/O بسیار گسترده مثل PCIe Gen5 اهمیت فراوان دارد. در نسل پنجم Xeon Scalable، Intel خطوط PCIe Gen5 را تا «حداکثر ۸۰ لِین» برای I/O سریع فراهم کرده است. طراحی چیپلت به این امر کمک می‌کند: چون I/O می‌تواند به چیپلت‌های جداگانه منتقل شود، بخش کنترل I/O و بخش هسته را می‌توان مستقل بهینه ساخت. این جدا سازی باعث می‌شود انعطاف بیشتری در طراحی صورت گیرد و نسل بعدی انتقال داده (مثلاً PCIe 6.0) راحت‌تر پشتیبانی شود.
اجزای کلیدی معماری چیپلت سرور
برای اینکه واضح‌تر ببینیم معماری چیپلت چگونه کار می‌کند، مهم است که اجزای کلیدی آن را مرور کنیم:
چیپلت‌های هسته (Compute Chiplets)
– این چیپلت‌ها معمولاً شامل هسته‌های CPU، کش‌های سطح بالاتر، و کنترلرهای حافظه هستند.
– در طراحی‌های چندچیپلت، ممکن است چندین چیپلت هسته کنار هم قرار بگیرند تا تعداد هسته زیاد شود.چیپلت‌های I/O / رابط‌ها (I/O Chiplets)
– مسئول خطوط PCIe، کنترلرهای LAN، حافظه متمرکز، شتاب‌دهنده‌ها، و ارتباطات داخلی هستند.
– جدا بودن این قسمت‌ها از هسته‌ها باعث می‌شود هنگامی که نسل I/O ارتقا می‌یابد، بخش هسته نیاز به بازطراحی کامل نداشته باشد.بسته‌بندی پیشرفته و اتصال بین چیپلت‌ها
– ارتباط بین چیپلت‌ها باید با تأخیر کم و پهنای باند بالا انجام شود.
– تکنولوژی‌هایی مانند EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge)، 2.5D خازن-میکرو، انترپوزر سیلیکونی، و لایه‌های RDL برای اتصال به‌کار می‌روند.
فرآیند تولید متفاوت برای هر چیپلت
– یکی از مزایای معماری چیپلت این است که تولیدکننده می‌تواند برای هر چیپلت فرآیند متفاوتی انتخاب کند: هسته‌ها بر روی فرآیند ریزتر (مثلاً 5nm)، I/O بر روی 7nm یا بزرگ‌تر.
– این امر هزینه را کاهش می‌دهد و بازده تولید را افزایش می‌دهد.
تأثیر معماری چیپلت بر عملکرد سرورها
معماری چیپلت تاثیرات مثبت زیادی بر عملکرد پردازنده‌های سرور دارد که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها می‌پردازیم:
افزایش تعداد هسته‌ها
با استفاده از چیپلت‌های هسته متعدد، تولیدکننده می‌تواند تعداد هسته‌ها را افزایش دهد بدون اینکه در یک دیای بزرگ تولید شود که بازده پایین داشته باشد. مثلاً حدث زده شده نسل Granite Rapids بتواند بیش از ۸۴ تا ۹۰ هسته داشته باشد.پهنای باند حافظه و I/O بیشتر
معماری چیپلت این امکان را می‌دهد که کانال‌های حافظه DDR5 افزایش یابند، خطوط PCIe Gen5 کمتر محدودیت داشته باشند، و تأخیر I/O کاهش یابد.کاهش هزینه و بهبود بازده (yield)
چون چیپلت‌ها کوچکتر هستند، بازده تولید آن‌ها بیشتر است؛ بنابراین هزینه به ازای هر هسته یا هر تراشه کاهش می‌یابد.افزایش انعطاف‌پذیری طراحی
اگر نیاز به توسعه بخشی از طراحی (مثلاً PCIe، CXL، یا شتاب‌دهنده‌ها) باشد، تولیدکننده می‌تواند فقط چیپلت مربوطه را بازطراحی کند بدون اینکه کل تراشه را از ابتدا بسازد.بهبود مصرف انرژی و مدیریت حرارت
با جدا شدن بخش‌های I/O و هسته، طراحی حرارتی بهینه‌تر می‌شود و گرمای تولید شده قابل کنترل‌تر می‌گردد.پشتیبانی بهتر از I/O نسل آینده
چیپلت‌های جداگانه برای I/O (مثلاً خطوط PCIe Gen5) به تولیدکننده این امکان را می‌دهند که خطوط بسیار زیاد با تأخیر کم داشته باشد؛ برای مثال، ۸۰ لِین PCIe Gen5 در Xeon 5th Gen.
چالش‌ها و محدودیت‌ها
معماری چیپلت مزایای فراوان دارد، اما چند چالش نیز هست که باید در نظر گرفت:
تاخیر بین چیپلت‌ها
برقراری ارتباط بین چیپلت‌ها – خصوصاً اگر فاصله زیاد باشد یا بسته‌بندی ضعیف باشد – ممکن است تأخیر و هزینه انرژی بیشتری داشته باشد.پهنای باند ارتباطات داخلی
برای اینکه چیپلت‌ها بتوانند با عملکرد بالا با هم کار کنند، نیاز به اتصال پهن باند (bandwidth) بالا و تأخیر کم وجود دارد که طراحی را پیچیده‌تر می‌کند.هزینه بسته‌بندی و فناوری پیشرفته
اگرچه هزینه تراشه کاهش می‌یابد، اما فناوری بسته‌بندی (interposer، RDL، EMIB) و اتصال‌های بسیار سریع هزینهٔ خود را دارد.تغییر معماری نرم‌افزار / سیستم
افزایش تعداد هسته‌ها و I/O بسیار زیاد، نرم‌افزار و سیستم‌عامل باید طوری طراحی شوند که بتوانند از تمام منابع بهینه استفاده کنند.حرارت و توزیع حرارتی
بسته‌های بزرگ از چند چیپلت ممکن است چالش مدیریت حرارت بیشتری داشته باشند و نیاز به طراحی خنک‌سازی خاصی داشته باشند.
روند بازار و آیندهٔ چیپلت در پردازنده‌های سرور
در ادامه، به روندهای مهم بازار و چشم‌انداز معماری چیپلت در آینده می‌پردازیم:
مقیاس بیشتر و تعداد هسته‌های بالاتر
نسل‌های آینده سرورها با تعداد هسته‌های بسیار بالا مواجه هستند. مثلاً در آینده شاهد پردازنده‌هایی با صدها هسته خواهیم بود. نمونه‌هایی از این دست طراحی‌ها با معماری چیپلت گزارش شده‌اند.
مثلاً، مقاله‌ای گزارش می‌دهد که پردازنده‌های آینده ممکن است ترکیب چندین چیپلت هسته‌ای + I/O باشند.
پشتیبانی از I/O و حافظه‌های جدید
نسل آینده سرورها باید برای شبکه‌های 400/800 GbE، حافظه‌های DDR5/DDR6 با کانال‌های بیشتر، ذخیره‌سازی NVMe با عملکرد بالا و پوشش فناوری‌هایی مانند CXL آماده باشند.
برای مثال، نسل ۵th Xeon Scalable از PCIe Gen5 و CXL 1.1 پشتیبانی می‌کند.
طراحی چیپلت کمک می‌کند تا این I/Oها به‌صورت ماژولار پیاده شوند.
بهبود بسته‌بندی و فناوری اتصال چیپلت‌ها
شرکت‌ها روی فناوری‌هایی مثل 2.5D، تراشه روی ویفر روی زیرلایه (CoWoS)، و انترپوزر سیلیکونی سرمایه‌گذاری می‌کنند تا اتصال بین چیپلت‌ها بهتر شود. این‌ها باعث می‌شوند کاهش تأخیر، کاهش مصرف انرژی و افزایش پهنای باند امکان‌پذیر گردد.
پشتیبانی از هوش مصنوعی، محاسبات پرظرفیت (HPC) و ابررایانه‌ها
پردازنده‌های سرور با معماری چیپلت می‌توانند منابع را بهتر برای بارهای کاری مختلف تخصیص دهند: هسته‌های زیاد برای محاسبات موازی، شتاب‌دهنده‌ها برای هوش مصنوعی، I/O بسیار بالا برای ذخیره‌سازی ابری و شبکه.
برای مثال، نسل Emerald Rapids با طراحی چیپلت برای هوش مصنوعی بهینه شده است.
کاهش هزینه کل مالکیت (TCO) و بهبود بازده انرژی
یکی از مزایای کلیدی چیپلت‌ها، توانایی تولید با بازده بیشتر و مصرف انرژی بهینه‌تر است. این عامل برای دیتا‌سنترها که هزینه‌های انرژی و سرمایش بزرگ هستند، بسیار حیاتی است.
نتیجه‌گیری
معماری چیپلت نه یک مد زودگذر، بلکه یک تحول بنیادین در طراحی پردازنده‌های سرور به‌شمار می‌رود. با جدا کردن بخش‌های هسته، I/O، حافظه، بسته‌بندی پیشرفته و تولید بهینه، چیپلت‌ها این امکان را فراهم می‌کنند که سرورها هم عملکرد بالا به‌دست آورند، هم هزینه تولید کاهش یابد، هم مصرف انرژی بهینه گردد، و هم مقیاس‌پذیری بیشتری داشته باشند.
از سوی دیگر، فناوری‌هایی چون PCIe Gen5، CXL، حافظه DDR5/DDR6، شبکه پر‌سرعت، و نیازهای هوش مصنوعی، همگی نیازمند طراحی‌های انعطاف‌پذیر هستند که معماری چیپلت می‌تواند پاسخ آن‌ها باشد. برای مثال، در پردازنده‌های نسل آینده از خانواده Xeon Scalable، شاهد ترکیب چیپلت‌ها با I/O فراوان و خطوط PCIe Gen5 هستیم.
اگر شما در حال تصمیم‌گیری برای سرورهای دیتاسنتر، طراحی زیرساخت ابری یا انتخاب پردازنده سرور هستید، شناخت دقیق معماری چیپلت می‌تواند نقطه تمایز بزرگی باشد — چون به شما اجازه می‌دهد گزینه‌هایی را انتخاب کنید که نه‌تنها امروز بلکه در آینده نیز مقیاس‌پذیری، بازده و عملکرد بالایی دارند.
