Multi-chip module em processadores modernos: uma análise das arquiteturas baseadas em chiplets

Abstract

O avanço do desempenho computacional esteve, durante décadas, associado à miniaturização dos transistores e à continuidade da Lei de Moore. Entretanto, a crescente complexidade dos processos de fabricação, a redução da taxa de rendimento (yield rate) em chips de grande área e o aumento dos custos associados aos nós avançados tornaram o modelo monolítico progressivamente mais limitado para atender às demandas atuais de processamento. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo analisar a tecnologia Multi-Chip Module (MCM) como solução arquitetural às limitações físicas, produtivas e econômicas dos chips monolíticos, compreendendo suas motivações produtivas, suas principais arquiteturas e suas aplicações em cenários de alta demanda computacional. A pesquisa utiliza método bibliográfico, de natureza descritiva e exploratória, baseando-se na análise de artigos científicos, documentação técnica, white papers de fabricantes e publicações especializadas da indústria de semicondutores. O estudo apresenta inicialmente os fundamentos da fabricação de semicondutores, o impacto do yield rate e o conceito de integração multi-die e chiplets. Em seguida, analisa arquiteturas comerciais baseadas em MCM, incluindo processadores AMD Epyc, Intel Xeon Scalable, Intel Ponte Vecchio, Apple M1 Ultra e aceleradores AMD Instinct. Também são discutidas tecnologias de encapsulamento avançado, como integração 2.5D, 3D, HBM, EMIB, CoWoS e Foveros. Os resultados indicam que o MCM deixou de ser apenas uma alternativa produtiva ao chip monolítico e passou a atuar como estratégia arquitetural para ampliar escalabilidade, especialização funcional, largura de banda de memória e viabilidade produtiva. As aplicações analisadas em supercomputadores, inteligência artificial e simulações científicas demonstram que arquiteturas modulares já compõem a base de sistemas de alto desempenho, como El Capitan, Frontier e Aurora. Conclui-se que MCM, chiplets e encapsulamento avançado tendem a permanecer como elementos fundamentais na evolução de processadores, aceleradores e plataformas computacionais modernas. Palavras-chave: Computadores; Hardware; Processadores.

The advancement of computational performance was, for decades, associated with transistor miniaturization and the continuity of Moore’s Law. However, the increasing complexity of manufacturing processes, the reduction of yield rate in large-area chips, and the rising costs associated with advanced nodes have progressively limited the monolithic model in meeting current processing demands. In this context, this work aims to analyze Multi-Chip Module (MCM) technology as an architectural solution to the physical, productive, and economic limitations of monolithic chips, considering its manufacturing motivations, main architectures, and applications in high computational demand scenarios. The research uses a bibliographic method, with a descriptive and exploratory nature, based on the analysis of scientific papers, technical documentation, manufacturer white papers, and specialized publications from the semiconductor industry. The study initially presents the fundamentals of semiconductor manufacturing, the impact of yield rate, and the concept of multi-die and chiplet integration. It then analyzes commercial architectures based on MCM, including AMD EPYC processors, Intel Xeon Scalable, Intel Ponte Vecchio, Apple M1 Ultra, and AMD Instinct accelerators. Advanced packaging technologies are also discussed, such as 2.5D and 3D integration, HBM, EMIB, CoWoS, and Foveros. The results indicate that MCM is no longer only a productive alternative to monolithic chips, but has become an architectural strategy to improve scalability, functional specialization, memory bandwidth, and manufacturing feasibility. The applications analyzed in supercomputers, artificial intelligence, and scientific simulations demonstrate that modular architecture already forms the basis of high-performance systems, such as El Capitan, Frontier, and Aurora. It is concluded that MCM, chiplets, and advanced packaging tend to remain fundamental elements in the evolution of modern processors, accelerators, and computing platforms. Keywords: Computers; Hardware; Processors.