AMD Fiji: Vom ersten Schritt zum fertigen Produkt in 8,5 Jahren

Joe Macri, Chief Technology Officer (CTO) von AMD für Produkte, hat zur Hot Chips 27 den langen Weg des Fiji-Grafikchips vom ersten Design bis hin zum fertigen Produkt Radeon R9 Fury/Fury X beschrieben. Insgesamt 8,5 Jahre vergingen seit den ersten Ideen für eine GPU mit Stacked DRAM auf einem Package.

Hersteller geben im Normalfall ungern Informationen dieser Art heraus, lassen diese doch gewisse Rückschlüsse zu. Insofern überraschte die Offenheit von AMD zur Konferenz Hot Chips 27, in der AMD erklärte, bereits seit 2007 mit einem Design zu experimentieren, welches einen Chip samt Speicher auf einem Package unterbringt. Seinerzeit war GDDR5-Speicher gerade als nächster Speicherstandard etabliert, das nächste große Ziel musste gewählt werden. Dabei stand neben hoher Bandbreite und geringem Energiebedarf auch der Preis im Fokus, denn es sollte den Massenmarkt und nicht eine Nische wie das HPC-Segment adressieren.

Anfangs war das Prozedere von AMD dabei ganz klassisch und noch gar nicht auf Grafikchips fokussiert – ATi war schließlich erst wenige Monate zuvor übernommen worden. Direkt neben einem Prozessor-Die aus dem eigenen Notebook-Segment wurde ein einzelner DDR3-Speicherchip gepackt, ein Multi-Chip-Package von AMD war geboren. Die bereits zuvor etablierte und mehrfach genutzte Erfindung ist auch heute noch bei vielen Firmen im Einsatz. Populärstes Beispiel sind heute aber keine Produkte von AMD, sondern Intels Prozessoren. Die U/Y-Serie packt beispielsweise den Chipsatz neben den Prozessor-Die auf das gleiche Package, in den höheren Klassen wird eDRAM neben die CPU auf das gleiche Package gesetzt.

2009 waren die Design-Vorstellungen von AMD/ATi dann aber bereits soweit gereift, dass ein Package mit GPU und zwei GDDR3-Grafikchips auf einem Interposer sitzen sollten. Seinerzeit kam der RV635-Chip aus der Mittelklasse von ATi zum Einsatz, der Anfang 2008 als ATi Radeon HD 3650 debütierte und erstmals die 55-nm-Fertigung von TSMC nutzte. Macri beschrieb, dass die TSVs (Through-silicon via) in den ersten Designs so groß waren, dass sie intern Redwood TSV getauft wurden – in Anlehnung an die riesigen Mammutbäume in Kalifornien. Von den ersten beiden Lösungen wurden nur jeweils einige hundert Chips gefertigt, um damit Erfahrungen in den Laboren zu sammeln. Macri betonte dabei, dass diese wirklich funktioniert haben und nicht nur zur Simulation genutzt wurden.

Ab dem Jahr 2011 wurden die Pläne nach der ersten Experimentierphase konkreter. Auf Basis des Verkaufsschlagers Radeon HD 5870 und dem Cypress-Grafikchip aus dem Jahre 2009 wurden neue Designs aufgelegt. Der Fokus lag jetzt an der Langlebigkeit eines solchen Grafikchips auf einem Interposer, denn dort gab es bisher quasi noch gar keine Erfahrungswerte.

Nachdem diese Tests erfolgreich abgeschlossen waren, wurde der Weg zu Fiji geebnet. Erneut entstand zu Beginn ein weiteres Testdesign. Der nun bereits deutlich größere Grafikchip bestand dabei intern eigentlich aus vier kleineren GPUs, die jeweils mit ihrem eigenen Speichercontroller einen einzelnen Speicherchip ansprechen konnten. Die Speicherchips wiederum waren dabei aber ebenfalls noch HBM-Dummys, SK Hynix hatte noch einige Probleme mit diesen neuen HBM-Chips. AMD griff dem koreanischen Speicherhersteller unter die Arme und stellte GPUs ab, um das Design zu finalisieren.

Seinerzeit waren die Yields dank der bereits lange genutzten 28-nm-Fertigung für die GPU und lediglich 45 nm für den Interposer von UMC bereits bei über 95 Prozent angelangt, der Massenfertigung stand nun nicht mehr viel im Weg. Mit vielen tausenden Samples wurden die letzten Fehler ausgemerzt, sodass die finalen Chips dann im Frühjahr 2015 in die acht Jahre zuvor erhoffte Massenproduktion gehen konnten.

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