Pourquoi les conceptions électroniques futures pourraient être basées sur des chiplets

Dans le paysage en constante évolution de l'industrie des semi-conducteurs, un changement se produit, passant des architectures de puces monolithiques traditionnelles vers des conceptions plus modulaires, basées sur des chiplets. Cette transition n'est pas simplement un changement de technique de fabrication. Elle représente une évolution significative dans la manière dont l'industrie électronique conceptualise, conçoit et livre les composants électroniques qui animent le monde moderne. Les architectures basées sur des chiplets émergent comme une force motrice de l'innovation, offrant une voie prometteuse pour continuer la croissance exponentielle des performances informatiques dans une ère post-loi de Moore.

Comprendre les Chiplets

À leur base, les chiplets sont de petits composants semi-conducteurs fabriqués indépendamment qui, une fois combinés au sein d'un même boîtier, fonctionnent de manière cohésive pour agir comme une puce traditionnelle unique. Cette désagrégation permet d'atteindre un niveau de versatilité et de personnalisation auparavant inatteignable avec des conceptions monolithiques. En traitant ces chiplets comme des blocs de construction, les concepteurs peuvent créer des systèmes hautement personnalisés qui répondent à des critères de performance spécifiques.

Avantages Techniques : L'un des avantages les plus convaincants des chiplets est leur capacité à contourner certaines des limitations rencontrées par la fabrication traditionnelle de puces, en particulier à mesure que l'industrie des semi-conducteurs se rapproche des limites physiques des technologies à base de silicium. Les chiplets offrent une voie à suivre, permettant la continuation des améliorations de performance par d'autres moyens que la simple échelle des transistors. 

Les chiplets permettent aux systèmes d'être plus évolutifs et flexibles, s'adaptant rapidement aux avancées technologiques sans nécessiter une refonte complète d'une puce entière. De plus, la performance des systèmes basés sur des chiplets a le potentiel d'être significativement plus élevée, car chaque chiplet peut être fabriqué en utilisant le processus le mieux adapté à sa fonction plutôt qu'un compromis qui convient à toutes les parties d'une puce monolithique.

Efficacité Coût : Dans la fabrication de semi-conducteurs, les facteurs économiques sont aussi cruciaux que les techniques. Le développement de puces monolithiques, surtout à la pointe de la technologie, est semé de coûts élevés et de risques substantiels associés aux pertes de rendement. Les grandes puces de silicium monolithiques fabriquées avec des processus plus avancés ont un potentiel de rendement inférieur pour un nombre donné de défauts ; l'approche par chiplets répartit les défauts sur un plus grand nombre de chiplets et augmente ainsi le rendement par galette.

Les Forces Motrices Derrière l'Adoption des Chiplets

La Loi de Moore et Ses Limitations : L'industrie des semi-conducteurs a longtemps été guidée par la loi de Moore, l'observation que le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans, conduisant à des améliorations régulières des performances. Cependant, à mesure que ce rythme de mise à l'échelle ralentit en raison de barrières techniques et économiques, l'industrie est contrainte de trouver des voies alternatives pour la croissance. La technologie des chiplets émerge comme une solution convaincante, offrant une voie viable pour continuer les améliorations de performance à travers des innovations architecturales plutôt que de compter sur la perpétuité de la loi de Moore.

Complexité et Spécialisation : La demande pour des capacités de traitement plus complexes et spécialisées est en croissance dans tous les secteurs, de l'intelligence artificielle (IA) et l'analyse de grandes données à l'informatique haute performance et l'Internet des Objets (IoT). Les architectures de chiplets répondent à ce besoin en permettant la combinaison d'unités de traitement spécialisées optimisées pour des tâches spécifiques, résultant en des systèmes plus puissants et économes en énergie.

Flexibilité de la chaîne d'approvisionnement et de la fabrication : Les chaînes d'approvisionnement mondiales en semi-conducteurs sont de plus en plus vulnérables aux perturbations dues aux tensions géopolitiques, aux conflits commerciaux et à des événements imprévus comme les pandémies. Les architectures en chiplets peuvent atténuer certains de ces risques en permettant des stratégies de fabrication plus flexibles et résilientes. Puisque les chiplets peuvent être produits et approvisionnés par différents fournisseurs et depuis différents lieux, les fabricants peuvent atténuer l'impact des perturbations localisées, assurant ainsi un approvisionnement plus stable en composants critiques.

Défis de l'architecture et de l'intégration des chiplets

Conception et Intégration : La promesse des chiplets s'accompagne de défis significatifs en matière de conception et d'intégration. Créer un système cohérent à partir de composants disparates nécessite des technologies et des méthodologies d'interconnexion sophistiquées. Ces interconnexions doivent supporter une bande passante élevée et une faible latence pour permettre aux chiplets de communiquer efficacement, en se rapprochant autant que possible de la performance d'une puce monolithique.

Tests et Fiabilité : Assurer la fiabilité et la performance des systèmes basés sur les chiplets ajoute des couches de complexité au processus de test. Chaque chiplet et ses interconnexions doivent être rigoureusement testés pour répondre aux normes de qualité et de fiabilité afin de garantir que le package de chiplets assemblé final fonctionne comme prévu dans toutes les conditions.

Développement de l'écosystème et des normes : L'adoption généralisée de la technologie des chiplets nécessitera le développement d'un écosystème robuste, incluant des normes universelles pour la conception, la communication et l'intégration. L'établissement de ces normes est crucial pour une interopérabilité cohérente parmi les chiplets de différents fabricants, ce qui favorisera l'innovation et réduira les coûts grâce aux économies d'échelle.

Exemples réels de chiplets

Voici plusieurs exemples de haut profil de la réalisation du potentiel de la technologie des chiplets aujourd'hui.

Processeurs AMD Ryzen et EPYC : L'approche d'AMD consistant à utiliser des chiplets dans ses lignes de processeurs Ryzen et EPYC démontre les gains significatifs de performance et d'efficacité réalisables avec des architectures basées sur les chiplets. L'architecture en chiplets d'AMD, introduite avec ses générations de processeurs Zen 2 et suivantes, utilise plusieurs petits puces (chiplets) connectés via un interconnect Infinity Fabric à haute vitesse. Cette conception permet à AMD de scaler efficacement la performance et le nombre de cœurs tout en maintenant l'efficacité des coûts et la flexibilité.

Intel EMIB : L'EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) d'Intel est une approche innovante pour l'emballage de différents dies de semi-conducteurs (chiplets) dans un seul package, permettant une communication à haute vitesse entre eux. Cette technologie permet l'intégration de puces hétérogènes – telles que les CPU, GPU et mémoire – dans un seul package, optimisant la performance et l'efficacité énergétique.

Une application notable de la technologie EMIB est les FPGA Stratix 10 d'Intel et les FPGA Agilex d'Intel, qui répondent à des applications allant des centres de données à l'infrastructure réseau et aux systèmes embarqués. En utilisant EMIB, Intel fournit des solutions informatiques personnalisées et performantes qui répondent aux besoins spécifiques des clients.

Versal ACAP : La série Versal ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform) représente une catégorie de dispositifs de calcul hétérogènes qui combinent des moteurs de traitement scalaire, du matériel adaptable et des moteurs intelligents avec des technologies de mémoire et d'interface de pointe pour offrir des capacités puissantes et flexibles.

La polyvalence et la performance de la série Versal ACAP démontrent les avantages des conceptions basées sur les chiplets. Ces produits hautement adaptables répondent aux besoins d'une large gamme d'applications, de l'accélération réseau et cloud au calcul embarqué et à l'inférence IA.

Regard vers l'horizon

Au-delà de ces exemples, la technologie des chiplets est prête à révolutionner des industries, y compris les télécommunications pour les réseaux 5G, l'électronique automobile pour les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), et même l'exploration spatiale, où les systèmes modulaires et évolutifs sont inestimables.

Alors que l'industrie des semi-conducteurs est confrontée aux limites du scaling traditionnel, les conceptions basées sur les chiplets émergent comme une alternative puissante, promettant de stimuler la prochaine vague d'avancées technologiques. Offrant une flexibilité inégalée, une efficacité coût et la capacité d'adapter les performances aux besoins spécifiques, les chiplets représentent un changement significatif dans la philosophie de conception électronique. Alors que nous nous trouvons au seuil de cette nouvelle réalité, la volonté et la capacité des concepteurs et ingénieurs de l'industrie à adopter et à affiner la technologie des chiplets seront cruciales pour façonner l'avenir de l'électronique.