https://www.tomshardware.com/news/amd-gpu-chiplet-patent
2021-01-04



AMD는 라이젠 3000 시리즈 CPU에 반도체 조각인 칩렛 기반 설계의 젠 2 아키텍처를 도입하면서 단일 CPU에 더 많은 코어를 넣을 수 있도록 했다. AMD는 새로운 특허 공개를 통해서 GPU에서도 똑같은 일을 하고 싶어 한다는 것을 보여준다.

성능 장벽을 돌파

다이 크기가 커질수록 결함 발생 확률이 높아져서 수율이 급격히 낮아지는 경향이 있으며, 이로 인해 제조 비용이 높아지게 된다. 반도체 회로를 그리기 위해 노광 공정에서 쓰는 부품인 레티클의 크기 제한이 있어서 무작정 거대한 크기의 GPU를 만들 수 없다는 한계가 있다. 또한 파운드리 업체의 제조 공정 한계도 무작정 거대한 크기의 GPU를 만들 수 없게 한다.



하지만, 거대한 실리콘 다이를 여러 개의 작은 다이(칩렛)로 나누면 이러한 문제점들이 해결된다. 하지만 이게 간단하지 않다. AMD가 공개한 특허는 왜 이것이 아직 이루어지지 않았는지 설명해준다.

GPU는 명령처리단위가 작고 잘게 쪼개져 있어서 칩렛 간에 많은 통신이 필요하므로 칩렛 간 작업배분 처리 조정이 힘든 반면 CPU는 명령처리단위가 거대하고 상대적으로 뭉쳐있어서 칩렛 간에 많은 통신이 필요하지 않으므로 칩렛 간 작업배분 처리 조정이 쉬워서 이렇게 만들기가 비교적 수월하다.

하나의 대형 단일 GPU처럼 보이게 만들기

칩렛 단위로 나눌 경우 CPU에 비해 GPU는 명령처리단위가 매우 작고 빈번한 통신이 이뤄져야 하므로 내부 입출력 회로에 높은 과부하가 걸린다. 이를 해결하기 위해 AMD는 높은 대역폭의 상호 연결망을 사용하여 칩렛 간 통신을 용이하게 한다. AMD는 이 상호 연결을 HBX라고 부른다. 칩렛 상호 간의 L3 캐시 동기화가 중요한 것을 제외하면 이는 젠 3 CPU의 인터포저와 매우 유사하다.





CPU가 첫 번째 GPU 칩렛에 연결되고 다른 GPU 칩렛들이 하나의 수동 상호 연결망을 통해서 첫 번째 GPU 칩렛과 연결된다. 또한 각 GPU 칩렛의 L3 캐시도 하나의 수동 상호 연결망으로 이어진다. 이것은 CPU가 각각의 GPU 칩렛과 개별적인 통신이 아닌 큰 덩어리를 이룬 하나의 GPU와 통신하는 거나 마찬가지다.

CPU가 하나의 입출력 컨트롤러를 통해서 개별적인 GPU 칩렛과 각각 통신하는 것은 입출력 과부하를 유발하고 병목현상을 일으키며 매우 거대한 입출력 컨트롤러가 필요하다. 따라서 AMD는 여러 개의 작은 GPU가 아닌 하나의 대형 GPU처럼 보이도록 묶기 위해서 간단한 전기적 연결 회로가 필요하다고 제안한다.



이런 GPU 구성의 장점은 기존 프로그래밍 언어와 호환성을 유지하고 개발자의 관점에서 적응하기 쉽다는 것이다. 새로운 아키텍처에 맞춰서 당연히 하드웨어 드라이버에서 몇 가지 사항을 조정해야 하지만 기존 소프트웨어는 큰 변경 없이 실행이 가능하다.

이 특허는 또한 칩렛 기반 GPU의 구성이 단지 4개의 칩렛이 아닌 여러 개수로 구성이 가능하다는 것을 보여준다. 고객의 다양한 요구에 따라 다이 크기 및 모양도 변경할 수 있으며 오각형 모양의 다이도 선택지로 제공된다. 구성의 확장이 가능하지만 만약 오각형으로 하면 당연히 칩렛 간의 대칭적 배치에 제한이 온다.

언제쯤 해당 제품을 볼 수 있을까?

그런 제품이 곧 나오기를 바라는 여러분의 기대를 저버리고 싶지 않다. 여러 개의 그래픽 카드를 함께 장착해 사용하는 기술인 엔비디아의 SLI와 AMD의 크로스파이어는 사용이 번거롭고 불편한 점이 많아서 사라졌다.
GPU 칩렛을 고대역폭 상호 연결망으로 묶는 AMD의 솔루션을 사용하더라도 여전히 가야 할 길이 멀다.

실제 사용 가능한 제품은 슈퍼컴퓨터나 전문가용 워크스테이션에서 과학연구에 사용되는 매우 한정된 용도의 값비싼 하이엔드 제품으로 소량 출시될 가능성이 많다. 이런 용도로 쓰기 위해서 HBM 메모리를 탑재해야 할 것이므로 당분간 일반 소비자용 제품으로 나오지 않을 것이다.

하지만 실제 사용할 수 있는 제품으로 출시되지 않을 가능성도 매우 높다. 테크 기업들은 많은 특허를 출원하지만 대부분은 결코 사용되지 않고 고스란히 사장된다.

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다른 곳에서 이 기술을 써려면 돈을 내야 한다는 AMD의 말이다.