Processador e memória integrados em 3D aceleram computação

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2023

A tecnologia usa uma arquitetura empilhada, onde as unidades de processamento (xPU) ficam sobre várias camadas de memórias interconectadas (DRAM).
[Imagem: Titech]

Computação na memória

Equipes ao redor de todo o mundo estão ativamente envolvidas com a chamada computação na memória, que acabará com a necessidade de que os dados trafeguem entre a memória e o processador, reduzindo muito o consumo de energia dos computadores.

Mas talvez não seja necessário esperar pelos frutos desse campo ainda emergente para que guardar dados e processá-lo possa ser feito simultaneamente nos mesmos componentes eletrônicos.

Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Tóquio desenvolveram uma técnica que permite a integração 3D da CPU (ou GPU) e da memória, e isto usando os componentes eletrônicos tradicionais e as técnicas da indústria.

A arquitetura empilhada alcança larguras de banda de dados mais altas do que as tecnologias de memória de última geração, ao mesmo tempo em que minimiza a energia necessária para o acesso aos bits.

A técnica foi batizada de "BBCube 3D", sigla em inglês para "cubo de construção 3D sem saliências" (Bumpless Build Cube 3D) - o termo "sem saliências" refere-se à ausência dos tradicionais pontos de solda que normalmente conectam os terminais dos chips às placas de circuito impresso.

Linhas IO adjacentes estão sempre fora de fase umas com as outras, o que significa que elas nunca mudarão de valor ao mesmo tempo, reduzindo a interferência.
[Imagem: Titech]

Processador e memória empilhados

Aumentar a largura de banda de dados entre a unidade de processamento e a memória exige uma de duas abordagens: Adicionar mais fios entre os processadores e a memória ou aumentar a taxa de transferência de dados entre ambos.

A primeira abordagem é difícil de implementar na prática porque a transmissão entre os componentes geralmente ocorre em duas dimensões, tornando complicada a adição de mais fios. Por outro lado, aumentar a taxa de dados requer aumentar a energia necessária para acessar cada bit, o que também é difícil e problemático, já que resulta no aumento do consumo.

Norio Chujo e seus colegas resolveram esse dilema fazendo as conexões entre as unidades de processamento e as DRAMs em três dimensões. Para isso, o processador foi construído sobre múltiplas camadas de DRAM, sendo todos interconectados por vias perfuradas através do silício, ou TSVs (through-silicon vias).

Os pesquisadores implementaram ainda uma estratégia inovadora envolvendo entradas/saídas blindadas de quatro fases para tornar o BBCube 3D mais resistente a ruídos. Eles ajustaram a temporização das linhas de entrada/saída adjacentes de forma que elas fiquem sempre fora de fase umas com as outras, o que significa que elas nunca alteram seus valores simultaneamente, o que reduz o ruído e torna a operação do dispositivo mais robusta.

"O BBCube 3D tem potencial para atingir uma largura de banda de 1,6 terabyte por segundo, 30 vezes maior que as DDR5 e quatro vezes maior que as HBM2E," disse o professor Takayuki Ohba. Além, a energia de acesso a cada bit do BBCube 3D é 5 vezes menor do que na HBM2E (memória de alta largura de banda) e 20 vezes menor do que na DDR5.

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