Grafikkarte: Wie AMD acht Jahre eine GPU mit Stapelspeicher entwickelte

Auf der Hot Chip 27 hat AMDs Technikchef Joe Macri einen kurzen Einblick in die Entwicklung der ersten Grafikkarte mit gestapeltem Videospeicher, der Radeon Fury X, gegeben. Insgesamt arbeitete AMD über acht Jahre daran, einen Grafikchip auf einem Package und später auf einem Interposer mit DRAM zu kombinieren, um so die Geschwindigkeit drastisch zu steigern.

Die Ausgangsfrage, die sich AMD vor knapp zehn Jahren stellte, war weitreichend: Welcher Speicherstandard könnte auf den gerade verabschiedeten GDDR5 folgen? Er sollte schnell, sparsam und günstig sein. Schon früh experimentierte der Hersteller mit RAM neben der CPU auf dem Package, also der Trägerplatine. Ein erster Prototyp in MCP-Bauweise (Multi-Chip-Package) kombinierte einen DDR3-Speicherbaustein mit einer Mobile-CPU.

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AMD spricht über Stacked Memory (Bild: AMD)

Optisch erinnert uns der Chip an einen Athlon XP-M Barton. Diese Architektur verfügt aber nicht über einen integrierten Speichercontroller - der saß damals noch in der Northbridge des Chipsatzes - und unterstützt auch kein DDR3. Auf den CPU-Prototyp von 2007 folgte zwei Jahre später die erste Version mit einer GPU. Hierzu nutzte AMD den RV635-Chip (einen von 65 auf 55 nm geshrinkten RV630), wie er in der Radeon HD 3650 verwendet wird, und koppelte diesen auf einem passiven Interposer mit zwei GDDR3-Speicherbausteinen.

Die vertikalen Metallstäbchen, die für die Siliziumdurchkontaktierung (Through Silicon Vertical Interconnect Access) notwendig waren, nannte AMD intern scherzhaft Redwood-TSVs. Das ist die englische Bezeichnung für die Unterfamilie der Mammutbäume, die fast 100 m hoch werden und 30 m Umfang aufweisen können. Von den ersten beiden Prototypen verteilte AMD einige Hundert, vom dritten mehrere Tausend: Er basierte auf dem Cypress-Chip, wie er in der Radeon HD 5870 steckt. Lustiges Detail: Die Mammutbäume sind eine Unterfamilie der Zypressen, die Nadeln statt Blätter tragen.

Für den Cypress-Prototyp von 2011 sah AMD zwei Andockplätze für DRAM vor, um den Chip herum sitzt bereits ein Metallrahmen. Der ist zur Stabilisierung erforderlich, damit die hauchdünnen TSVs im Interposer bei mechanischer Belastung wie der Kühlermontage nicht brechen. Was Macri in seiner Präsentation nicht erwähnte, war eine Tiran genannte GPU: Die sollte im 28-nm-Verfahren gefertigt werden und 2012 als Tahiti-Nachfolger (Radeon HD 7970) erscheinen. Stattdessen soll AMD das Projekt abgebrochen und Hawaii entwickelt haben, besser bekannt als Radeon R9 290X.

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AMD spricht über Stacked Memory (Bild: AMD)

In den darauf folgenden Jahren fertigte AMD erste Testmuster mit immer größeren Grafikchips auf immer größeren Interposern: Eine namenlose 500-mm²-GPU bestand aus vier in einem Die kombinierten Chips, deren Speichercontroller jeweils einen DRAM-Baustein ansprach. Zugleich arbeitete AMD mit Hynix zusammen, die begannen, Protoypen des High Bandwidth Memory zu liefern, damit ein entsprechendes Speicherinterface entwickelt werden konnte. Heute ist HBM ein vom Jedec-Gremium spezifizierter Standard, den künftig auch Samsung produzieren und Nvidia bei Pascal verwenden wird.

Im letzten Schritt begann AMD mit der Vorserienfertigung von Fiji-Grafikchips, erste Muster waren im Sommer 2014 verfügbar. Die offizielle Veröffentlichung der schlussendlich Radeon R9 Fury X genannten Grafikkarte erfolgte im Juni 2015, über acht Jahre nach den ersten CPU-DDR3-Prototypen.