AMD-Prozessoren: Der Ryzen 9 3950X wäre ohne Chiplets doppelt so teuer

(Bild: Mark Mantel / heise online)
AMDs Prozessoren der Reihen Ryzen 3000 (Desktop) und Epyc 7002 (Server) bestehen aus mehreren Siliziumchips. Das bietet zwei Vorteile: Die Produktion ist günstiger und AMD kann mit drei verschiedenen Dies ein Portfolio vom Sechskerner Ryzen 5 3600 bis zum 64-Kerner Epyc 7742 spannen. Bei diesen Dies handelt es sich um ein CPU-Chiplet mit acht Rechenkernen und zwei verschiedene I/O-Dies für Desktop-PCs und Server. Wie weit die Kostenersparnis durch dieses Vorgehen reicht, erklärte AMD auf der Fachmesse International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2020.

Die reinen Produktionskosten des 16-Kerners Ryzen 9 3950X würden sich laut AMD bei einem monolithischen Aufbau mehr als verdoppeln. Derzeit kostet der Prozessor bestehend aus zwei CPU-Chiplets und kleinem I/O-Die mindestens 700 Euro. Wollte AMD die Marge beibehalten, dürfte der Preis eines monolithisch aufgebauten Ryzen 9 3950X weit über 1000 Euro steigen.

Ein monolithisch aufgebauter Ryzen-16-Kerner würde die Produktionskosten so weit steigern, dass der Ryzen 9 3950X nicht für unter 1000 Euro zu haben wäre. (Bild: AMD via PC Watch )
Ein monolithisch aufgebauter Ryzen-16-Kerner würde die Produktionskosten so weit steigern, dass der Ryzen 9 3950X nicht für unter 1000 Euro zu haben wäre. (Bild: AMD via PC Watch )

Die Kostensteigerung setzt sich aus zwei Faktoren zusammen: Je kleiner die belichteten Chips auf den Siliziumwafern ausfallen, desto höher die Chance, dass diese vollfunktionstüchtig laufen. Vor allem bei einem neuen Prozess wie TSMCs 7-Nanometer-Fertigung sind große Chips kritisch, weil diese häufig gar nicht oder nur teildeaktiviert nutzbar sind.

Zudem kann AMD beim Chiplet-Ansatz verschiedene Prozesse verwenden: Die Compute-Chiplets mit den Zen-2-Rechenkernen laufen mit feinen 7-nm-Strukturen vom Band; die I/O-Dies unter anderem mit den Speicher-Controllern und den PCI-Express-4.0-Links kostenoptimiert in 12 beziehungsweise 14 nm bei Globalfoundries. Da sich diese Strukturen schlecht schrumpfen lassen, würden 7 nm nur wenige Vorteile bringen.

Bei einem Achtkern-Prozessor wäre ein monolithischer Aufbau laut AMD knapp 30 Prozent teurer. Das Kostenersparnis ist geringer, weil ein solcher Siliziumchip nicht übermäßig groß ausfällt und die Fehlerrate beim Belichten keine kritischen Gefilde erreichen würde. Damit hätte AMD aber beispielsweise mit Skalierungsproblemen bei Vielkernern zu kämpfen, da die Speichercontroller lokal in den CPU-Dies säßen und nicht alle Rechenkerne mit der vollen Geschwindigkeit auf den RAM zugreifen könnten. Wie groß der Unterschied zwischen diesen beiden Designansätzen ist, zeigt der Test der High-End-Prozessoren Ryzen Threadripper 3000 vs. 2000.

Bei einem Epyc 7002 mit 16 Rechenkernen wäre die Kostendifferenz niedriger als bei einem Desktop-Ryzen, weil ein größerer I/O-Die mit höheren Fixkosten zum Einsatz kommt. (Bild: AMD via PC Watch)
Bei einem Epyc 7002 mit 16 Rechenkernen wäre die Kostendifferenz niedriger als bei einem Desktop-Ryzen, weil ein größerer I/O-Die mit höheren Fixkosten zum Einsatz kommt. (Bild: AMD via PC Watch)

Ein Ryzen Threadripper 3990X oder Epyc 7742 mit 64 Rechenkernen ließe sich laut AMD mit heutigen Mitteln gar nicht als einzelner Siliziumchip realisieren, weil das Limit aktueller Belichtungsmaschinen bei etwas über 800 mm² liegt. Bei 48 CPU-Kernen wäre demnach Schluss und auch dort würden sich die Produktionskosten verdoppeln. Beim 16-Kerner Epyc 7302 führt AMD eine niedrigere, aber immer noch relevante Differenz als beim Ryzen 9 3950X auf, da bei allen Epyc-Prozessoren ein deutlich größeres I/O-Die mit über 400 mm² statt rund 125 mm² zum Einsatz kommt. Dieser I/O-Chip nimmt bei den Server-Prozessoren folglich einen größeren Fixkostenpunkt ein.

Ein Chiplet-Design kommt derweil nicht ohne Nachteile aus. Insbesondere die längeren Signalwege sind kritisch, da sie die Latenzen erhöhen. Um diesen Nachteil auszugleichen, hat AMD bei der Zen-2-Architektur gegenüber Zen 1 den L3-Cache auf 32 MByte pro Achtkern-Cluster verdoppelt, sodass die CPU-Kerne mehr Daten lokal vorhalten können.

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