将来の電子設計がチップレットベースであるかもしれない理由

半導体業界の絶えず進化する風景の中で、従来の一枚岩のチップアーキテクチャからよりモジュラーなチップレットベースの設計への移行が起こっています。この移行は、製造技術の変化だけではありません。これは、現代の世界を動かす電子部品を概念化し、設計し、提供する方法において、電子業界の重要な進化を代表しています。チップレットベースのアーキテクチャは、イノベーションの推進力として台頭しており、ムーアの法則の時代を超えて、コンピューティング性能の指数関数的な成長を続けるための有望な道を提供しています。

チップレットの理解

その核心において、チップレットは小さな、独立して製造された半導体コンポーネントであり、単一のパッケージ内で組み合わされることで、従来の単一チップとして機能するように協調して動作します。この分散化により、一枚岩の設計では達成できなかった柔軟性とカスタマイズのレベルが可能になります。これらのチップレットをビルディングブロックとして扱うことで、設計者は特定の性能基準を満たすために高度にカスタマイズされたシステムを作成できます。

技術的な利点：チップレットの最も魅力的な利点の一つは、特に半導体業界がシリコンベースの技術の物理的限界に近づくにつれて、従来のチップ製造が直面するいくつかの制限を回避できることです。チップレットは前進の道を提供し、トランジスタのスケーリングだけでなく他の手段を通じて性能向上の継続を可能にします。

チップレットは、システムをよりスケーラブルで柔軟にし、全体のチップの完全な再設計を必要とせずに急速な技術進歩に対応できるようにします。さらに、チップレットベースのシステムの性能は、各チップレットがその機能に最適なプロセスを使用して製造されるため、大幅に高くなる可能性があります。これは、一枚岩のチップのすべての部分に適合する妥協ではなく、各部分に最適なものです。

コスト効率：半導体製造において、経済的要因は技術的なものと同じくらい重要です。特に技術の最先端での一枚岩のチップの開発は、高コストと歩留まり損失に関連する大きなリスクに直面しています。より先進的なプロセスで製造された大きな一枚岩のシリコンチップは、与えられた欠陥数に対して低い歩留まりの可能性がありますが、チップレットアプローチは欠陥をより多くのチップレットに分散させ、ウェハーあたりの歩留まりを増加させます。

チップレット採用の背後にある推進力

ムーアの法則とその限界：半導体業界は長い間、ムーアの法則に導かれてきました。これは、チップ上のトランジスタの数が約2年ごとに倍増し、定期的な性能向上につながるという観察です。しかし、技術的および経済的障壁のためにこのスケーリングのペースが遅くなるにつれて、業界は成長のための代替の道を見つけることを強いられています。チップレット技術は、ムーアの法則の永続性に依存するのではなく、アーキテクチャの革新を通じて性能向上を続けるための魅力的な解決策として現れます。

複雑さと専門化：人工知能（AI）やビッグデータ分析、高性能コンピューティング、そしてIoT（モノのインターネット）に至るまで、すべてのセクターでより複雑で専門化された処理能力の需要が高まっています。チップレットアーキテクチャは、特定のタスクに最適化された専門の処理ユニットの組み合わせを可能にすることで、このニーズに対応し、より強力でエネルギー効率の高いシステムを実現します。

サプライチェーンと製造の柔軟性：グローバルな半導体サプライチェーンは、地政学的な緊張、貿易紛争、そしてパンデミックのような予期せぬ出来事からの混乱に対してますます脆弱になっています。チップレットアーキテクチャは、より柔軟で回復力のある製造戦略を可能にすることで、これらのリスクのいくつかを軽減することができます。チップレットは異なるサプライヤーや場所から生産・調達することができるため、製造業者は局所的な混乱の影響を軽減し、重要なコンポーネントのより安定した供給を確保することができます。

チップレットアーキテクチャと統合の課題

設計と統合：チップレットの約束は、重大な設計と統合の課題を伴います。異なるコンポーネントから一貫したシステムを作り出すには、高度な相互接続技術と方法論が必要です。これらの相互接続は、チップレットが効果的に通信できるように、高帯域幅と低遅延をサポートしなければならず、できるだけ密接に一枚のチップの性能に匹敵する必要があります。

テストと信頼性：チップレットベースのシステムの信頼性と性能を確保することは、テストプロセスに複雑さの層を追加します。各チップレットとその相互接続は、最終的な組み立てられたチップレットパッケージがすべての条件下で意図したとおりに機能することを保証するために、品質と信頼性の基準を満たすように厳格にテストされなければなりません。

エコシステムと標準の開発：チップレット技術の広範な採用は、設計、通信、統合のための普遍的な標準を含む強固なエコシステムの開発を必要とします。これらの標準を確立することは、異なるメーカーのチップレット間の一貫した相互運用性を保証するために重要であり、イノベーションを促進し、規模の経済を通じてコストを削減します。

実世界のチップレット例

ここでは、今日実現されているチップレット技術の可能性のいくつかの高プロファイルな例を紹介します。

AMD RyzenおよびEPYCプロセッサ：AMDがRyzenプロセッサおよびEPYCプロセッサラインでチップレットを使用するアプローチは、チップレットベースのアーキテクチャで達成可能な顕著な性能と効率の向上を示しています。AMDのチップレットアーキテクチャは、Zen 2およびその後のプロセッサ世代で導入され、複数の小さなチップ（チップレット）を高速Infinity Fabric相互接続を介して接続することで、性能とコア数を効率的にスケールアップしながら、コスト効率と柔軟性を維持します。

Intel EMIB：IntelのEMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）は、異なる半導体ダイ（チップレット）を単一のパッケージにパッケージングするための革新的なアプローチであり、それらの間で高速通信を可能にします。この技術により、CPU、GPU、メモリなどの異種チップを単一のパッケージに統合し、性能と電力効率を最適化することができます。

EMIB技術の顕著な応用例の一つは、データセンターからネットワークインフラストラクチャや組み込みシステムに至るまでのアプリケーションに対応するIntelのStratix 10 FPGAsおよびAgilex FPGAsです。EMIBを使用して、Intelは特定の顧客ニーズに合わせたカスタマイズされた高性能コンピューティングソリューションを提供します。

Versal ACAP：Versal ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform）シリーズは、スカラー処理エンジン、適応可能なハードウェア、インテリジェントエンジンを最先端のメモリおよびインターフェース技術と組み合わせた、異種コンピュートデバイスのカテゴリーを代表しています。これにより、強力で柔軟な機能を提供します。

Versal ACAPシリーズの多用途性と性能は、チップレットベースの設計の利点を示しています。これらの高度に適応可能な製品は、ネットワークおよびクラウドの加速から組み込みコンピューティング、AI推論に至るまで、幅広いアプリケーションのニーズに応えます。

地平線を見渡す

これらの例を超えて、チップレット技術は、5Gネットワーク用の通信、高度運転支援システム（ADAS）用の自動車電子機器、さらにはモジュラーでスケーラブルなシステムが非常に重要となる宇宙探査を含む産業を革命する準備ができています。

半導体産業が従来のスケーリングの限界に直面する中、チップレットベースの設計は強力な代替手段として台頭しており、次世代の技術進歩を推進することを約束しています。比類のない柔軟性、コスト効率、そして特定のニーズに合わせた性能を調整する能力を提供するチップレットは、電子設計哲学における重要な転換点を表しています。この新しい現実の瀬戸際に立つ私たちにとって、業界の設計者やエンジニアがチップレット技術を受け入れ、洗練させる意欲と能力が、電子機器の未来を形作る上で重要になるでしょう。