Warum zukünftige Elektronikdesigns auf Chiplets basieren könnten

In der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Halbleiterindustrie findet ein Wandel statt, weg von traditionellen monolithischen Chip-Architekturen hin zu modulareren, auf Chiplets basierenden Designs. Dieser Übergang ist nicht nur eine Änderung in der Fertigungstechnik. Er repräsentiert eine bedeutende Evolution in der Art und Weise, wie die Elektronikindustrie Konzepte entwickelt, entwirft und die elektronischen Komponenten liefert, die die moderne Welt antreiben. Chiplet-basierte Architekturen treten als treibende Kraft der Innovation hervor und bieten einen vielversprechenden Weg, um das exponentielle Wachstum der Rechenleistung in einer Ära nach dem Mooreschen Gesetz fortzusetzen.

Verständnis von Chiplets

Im Kern sind Chiplets kleine, unabhängig hergestellte Halbleiterkomponenten, die – wenn sie innerhalb eines einzigen Pakets kombiniert werden – zusammenarbeiten, um als traditioneller, einzelner Chip zu funktionieren. Diese Aufgliederung ermöglicht ein Maß an Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit, das bei monolithischen Designs zuvor unerreichbar war. Indem diese Chiplets als Bausteine behandelt werden, können Designer hochgradig maßgeschneiderte Systeme erstellen, die spezifische Leistungskriterien erfüllen.

Technische Vorteile: Einer der überzeugendsten Vorteile von Chiplets ist ihre Fähigkeit, einige der Einschränkungen zu umgehen, mit denen die traditionelle Chipfertigung konfrontiert ist, insbesondere da die Halbleiterindustrie den physischen Grenzen der siliziumbasierten Technologien näher kommt. Chiplets bieten einen Weg nach vorne, der es ermöglicht, Leistungsverbesserungen durch andere Mittel als nur die Transistorskalierung fortzusetzen. 

Chiplets ermöglichen es Systemen, skalierbarer und flexibler zu sein, und passen sich schnellen technologischen Fortschritten an, ohne dass ein vollständiges Redesign eines gesamten Chips erforderlich ist. Darüber hinaus kann die Leistung von auf Chiplets basierenden Systemen erheblich höher sein, da jedes Chiplet mit dem Prozess hergestellt werden kann, der am besten für seine Funktion geeignet ist, anstatt einen Kompromiss zu finden, der zu allen Teilen eines monolithischen Chips passt.

Kosteneffizienz: In der Halbleiterherstellung sind die wirtschaftlichen Faktoren genauso entscheidend wie die technischen. Die Entwicklung von monolithischen Chips, insbesondere an der Spitze der Technologie, ist mit hohen Kosten und erheblichen Risiken verbunden, die mit Ausbeuteverlusten einhergehen. Große monolithische Siliziumchips, die mit fortschrittlicheren Prozessen hergestellt werden, haben ein Potenzial für eine niedrigere Ausbeute bei einer gegebenen Fehleranzahl; der Chiplet-Ansatz verteilt Fehler über eine größere Anzahl von Chiplets und erhöht somit die Ausbeute pro Wafer.

Die treibenden Kräfte hinter der Akzeptanz von Chiplets

Mooresches Gesetz und seine Grenzen: Die Halbleiterindustrie wurde lange Zeit vom Mooreschen Gesetz geleitet, der Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, was zu regelmäßigen Leistungsverbesserungen führt. Da jedoch dieses Tempo der Skalierung aufgrund technischer und wirtschaftlicher Barrieren verlangsamt wird, ist die Branche gezwungen, alternative Wege für Wachstum zu finden. Die Chiplet-Technologie tritt als überzeugende Lösung hervor und bietet einen gangbaren Weg, um Leistungsverbesserungen durch architektonische Innovationen fortzusetzen, anstatt auf die Fortdauer des Mooreschen Gesetzes zu vertrauen.

Komplexität und Spezialisierung: Die Nachfrage nach komplexeren und spezialisierten Verarbeitungsfähigkeiten wächst in allen Sektoren, von künstlicher Intelligenz (KI) und Big-Data-Analytik bis hin zu Hochleistungsrechnen und dem Internet der Dinge (IoT). Chiplet-Architekturen adressieren dieses Bedürfnis, indem sie die Kombination von spezialisierten Verarbeitungseinheiten ermöglichen, die für spezifische Aufgaben optimiert sind, was zu leistungsfähigeren und energieeffizienteren Systemen führt.

Lieferketten- und Fertigungsflexibilität: Globale Halbleiterlieferketten sind zunehmend anfällig für Störungen durch geopolitische Spannungen, Handelsstreitigkeiten und unerwartete Ereignisse wie Pandemien. Chiplet-Architekturen können einige dieser Risiken mildern, indem sie flexiblere und widerstandsfähigere Fertigungsstrategien ermöglichen. Da Chiplets von verschiedenen Lieferanten und Standorten produziert und bezogen werden können, können Hersteller die Auswirkungen lokalisierter Störungen abschwächen und so eine stabilere Versorgung mit kritischen Komponenten gewährleisten.

Chiplet-Architektur und Integrationsherausforderungen

Design und Integration: Das Versprechen von Chiplets bringt erhebliche Design- und Integrationsherausforderungen mit sich. Ein kohärentes System aus disparaten Komponenten zu schaffen, erfordert ausgefeilte Verbindungstechnologien und -methoden. Diese Verbindungen müssen eine hohe Bandbreite und geringe Latenz unterstützen, um eine effektive Kommunikation zwischen den Chiplets zu ermöglichen und die Leistung eines monolithischen Chips so genau wie möglich zu erreichen.

Testen und Zuverlässigkeit: Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Leistung von chiplet-basierten Systemen fügt dem Testprozess zusätzliche Komplexitätsebenen hinzu. Jedes Chiplet und seine Verbindungen müssen rigoros getestet werden, um Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards zu erfüllen, damit das endgültig zusammengesetzte Chiplet-Paket unter allen Bedingungen wie vorgesehen funktioniert.

Ökosystem- und Standardentwicklung: Die weit verbreitete Einführung der Chiplet-Technologie wird die Entwicklung eines robusten Ökosystems erfordern, einschließlich universeller Standards für Design, Kommunikation und Integration. Die Festlegung dieser Standards ist entscheidend für eine konsistente Interoperabilität zwischen Chiplets verschiedener Hersteller, was Innovation fördern und durch Skaleneffekte Kosten senken wird.

Beispiele für Chiplets in der Praxis

Hier sind mehrere hochkarätige Beispiele für das Potenzial der Chiplet-Technologie, das heute realisiert wird.

AMD Ryzen und EPYC Prozessoren: AMDs Ansatz, Chiplets in seinen Ryzen- und EPYC-Prozessorlinien zu verwenden, demonstriert die signifikanten Leistungs- und Effizienzsteigerungen, die mit chiplet-basierten Architekturen erreichbar sind. AMDs Chiplet-Architektur, eingeführt mit seiner Zen 2 und nachfolgenden Prozessorgenerationen, nutzt mehrere kleinere Chips (Chiplets), die über eine hochgeschwindigkeits Infinity Fabric-Verbindung verbunden sind. Dieses Design ermöglicht es AMD, Leistung und Kernanzahl effizient zu skalieren, während Kostenwirksamkeit und Flexibilität beibehalten werden.

Intel EMIB: Intels EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) ist ein innovativer Ansatz, um verschiedene Halbleiter-Dies (Chiplets) in einem einzigen Paket zu verpacken, was eine Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen ihnen ermöglicht. Diese Technologie ermöglicht die Integration von heterogenen Chips – wie CPUs, GPUs und Speicher – in einem einzigen Paket, was Leistung und Energieeffizienz optimiert.

Eine bemerkenswerte Anwendung der EMIB-Technologie sind Intels Stratix 10 FPGAs und Agilex FPGAs, die Anwendungen von Rechenzentren über Netzwerkinfrastruktur bis hin zu eingebetteten Systemen abdecken. Mit EMIB liefert Intel maßgeschneiderte, leistungsstarke Computing-Lösungen, die spezifische Kundenbedürfnisse erfüllen.

Versal ACAP: Die Versal ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform) Serie repräsentiert eine Kategorie von heterogenen Rechengeräten, die skalare Verarbeitungseinheiten, anpassbare Hardware und intelligente Motoren mit führenden Speicher- und Schnittstellentechnologien kombinieren, um leistungsstarke und flexible Fähigkeiten zu liefern.

Die Vielseitigkeit und Leistung der Versal ACAP-Serie demonstrieren die Vorteile von chiplet-basierten Designs. Diese hochgradig anpassbaren Produkte erfüllen die Anforderungen einer breiten Palette von Anwendungen, von Netzwerk- und Cloud-Beschleunigung bis hin zu eingebetteter Rechnung und KI-Inferenz.

Über den Horizont hinausblicken

Jenseits dieser Beispiele steht die Chiplet-Technologie kurz davor, Branchen zu revolutionieren, einschließlich der Telekommunikation für 5G-Netzwerke, der Automobil-Elektronik für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und sogar der Raumfahrt, wo modulare und skalierbare Systeme von unschätzbarem Wert sind.

Während die Halbleiterindustrie mit den Grenzen der traditionellen Skalierung kämpft, zeichnen sich chiplet-basierte Designs als eine leistungsstarke Alternative ab, die verspricht, die nächste Welle technologischer Fortschritte anzutreiben. Mit unübertroffener Flexibilität, Kosteneffizienz und der Fähigkeit, die Leistung auf spezifische Bedürfnisse zuzuschneiden, stellen Chiplets eine bedeutende Verschiebung in der Philosophie des elektronischen Designs dar. Während wir am Rande dieser neuen Realität stehen, wird die Bereitschaft und Fähigkeit von Industriedesignern und Ingenieuren, die Chiplet-Technologie zu umarmen und zu verfeinern, entscheidend sein, um die Zukunft der Elektronik zu gestalten.