Dlaczego przyszłe projekty elektroniki mogą być oparte na chipletach

W ciągle ewoluującym krajobrazie przemysłu półprzewodnikowego zachodzi zmiana od tradycyjnych, monolitycznych architektur układów scalonych w kierunku bardziej modułowych, opartych na chipletach projektów. Ta transformacja to nie tylko zmiana techniki produkcji. Reprezentuje ona znaczącą ewolucję w sposobie, w jaki branża elektroniczna konceptualizuje, projektuje i dostarcza komponenty elektroniczne napędzające współczesny świat. Architektury oparte na chipletach wyłaniają się jako siła napędowa innowacji, oferując obiecującą drogę do kontynuowania eksponencjalnego wzrostu wydajności obliczeniowej w erze po prawie Moore'a.

Zrozumienie Chipletów

W swojej istocie, chiplety to małe, niezależnie wyprodukowane komponenty półprzewodnikowe, które – gdy są połączone w jednej obudowie – działają spójnie, wykonując funkcje tradycyjnego, pojedynczego układu scalonego. Ta dezagregacja pozwala na poziom wszechstronności i dostosowania wcześniej nieosiągalny w projektach monolitycznych. Traktując te chiplety jako bloki konstrukcyjne, projektanci mogą tworzyć wysoko spersonalizowane systemy, które spełniają określone kryteria wydajności.

Zalety techniczne: Jedną z najbardziej przekonujących zalet chipletów jest ich zdolność do obejścia niektórych ograniczeń stawianych przez tradycyjną produkcję układów scalonych, szczególnie gdy przemysł półprzewodnikowy zbliża się do fizycznych ograniczeń technologii opartych na krzemie. Chiplety oferują drogę naprzód, pozwalając na kontynuację poprawy wydajności poprzez inne środki niż tylko skalowanie tranzystorów. 

Chiplety umożliwiają tworzenie systemów bardziej skalowalnych i elastycznych, dostosowujących się do szybkich postępów technologicznych bez konieczności całkowitego przeprojektowania całego układu scalonego. Co więcej, wydajność systemów opartych na chipletach ma potencjał być znacznie wyższa, ponieważ każdy chiplet może być wyprodukowany przy użyciu procesu najlepiej dopasowanego do jego funkcji, a nie kompromisu pasującego do wszystkich części monolitycznego układu scalonego.

Efektywność kosztowa: W produkcji półprzewodników czynniki ekonomiczne są równie ważne jak techniczne. Rozwój układów scalonych, szczególnie na najnowocześniejszym poziomie technologii, jest obarczony wysokimi kosztami i znacznymi ryzykami związanymi ze stratami wydajności. Duże monolityczne krzemowe układy scalone produkowane z wykorzystaniem bardziej zaawansowanych procesów mają potencjał niższej wydajności dla danej liczby defektów; podejście chipletowe rozkłada defekty na większą liczbę chipletów, zwiększając tym samym wydajność na wafer.

Siły napędowe za adopcją chipletów

Prawo Moore'a i jego ograniczenia: Przemysł półprzewodnikowy od dawna kieruje się prawem Moore'a, obserwacją, że liczba tranzystorów na układzie scalonym podwaja się w przybliżeniu co dwa lata, prowadząc do regularnych popraw wydajności. Jednakże, jako że tempo skalowania spowalnia z powodu barier technicznych i ekonomicznych, przemysł jest zmuszony szukać alternatywnych dróg wzrostu. Technologia chipletów pojawia się jako przekonujące rozwiązanie, oferując realną ścieżkę do kontynuowania wzrostu wydajności poprzez innowacje architektoniczne, a nie polegając na wieczności prawa Moore'a.

Złożoność i specjalizacja: Zapotrzebowanie na bardziej złożone i specjalizowane zdolności przetwarzania rośnie we wszystkich sektorach, od sztucznej inteligencji (AI) i analizy dużych zbiorów danych po wysokowydajne obliczenia i Internet Rzeczy (IoT). Architektury chipletów adresują tę potrzebę, umożliwiając kombinację specjalizowanych jednostek przetwarzających zoptymalizowanych do konkretnych zadań, co skutkuje bardziej potężnymi i energooszczędnymi systemami.

Elastyczność łańcucha dostaw i produkcji: Globalne łańcuchy dostaw półprzewodników są coraz bardziej podatne na zakłócenia wynikające z napięć geopolitycznych, sporów handlowych i nieoczekiwanych wydarzeń, takich jak pandemie. Architektury chipletów mogą złagodzić niektóre z tych ryzyk, umożliwiając bardziej elastyczne i odporne strategie produkcyjne. Ponieważ chiplety mogą być produkowane i pozyskiwane od różnych dostawców i z różnych lokalizacji, producenci mogą łagodzić wpływ lokalnych zakłóceń, zapewniając bardziej stabilne dostawy kluczowych komponentów.

Architektura i wyzwania integracyjne chipletów

Projektowanie i integracja: Obietnica chipletów wiąże się z istotnymi wyzwaniami projektowymi i integracyjnymi. Stworzenie spójnego systemu z różnych komponentów wymaga zaawansowanych technologii i metodologii łączenia. Te połączenia muszą wspierać wysoką przepustowość i niskie opóźnienia, aby umożliwić chipletom skuteczną komunikację, jak najbardziej zbliżoną do wydajności monolitycznego układu scalonego.

Testowanie i niezawodność: Zapewnienie niezawodności i wydajności systemów opartych na chipletach dodaje warstw złożoności do procesu testowania. Każdy chiplet i jego połączenia muszą być rygorystycznie testowane, aby spełniać standardy jakości i niezawodności, co gwarantuje, że finalnie zmontowany pakiet chipletów działa zgodnie z założeniami we wszystkich warunkach.

Rozwój ekosystemu i standardów: Szerokie przyjęcie technologii chipletów będzie wymagało rozwoju solidnego ekosystemu, w tym uniwersalnych standardów projektowania, komunikacji i integracji. Ustanowienie tych standardów jest kluczowe dla spójnej interoperacyjności między chipletami od różnych producentów, co będzie sprzyjać innowacjom i obniżać koszty dzięki korzyściom skali.

Przykłady chipletów w rzeczywistym świecie

Oto kilka wysokoprofilowych przykładów realizacji potencjału technologii chipletów w dzisiejszych czasach.

Procesory AMD Ryzen i EPYC: Podejście AMD do wykorzystania chipletów w liniach procesorów Ryzen i EPYC demonstruje znaczące zyski wydajności i efektywności osiągalne dzięki architekturom opartym na chipletach. Architektura chipletów AMD, wprowadzona z jej generacją Zen 2 i kolejnymi generacjami procesorów, wykorzystuje wiele mniejszych układów (chipletów) połączonych za pomocą szybkiego interkonektu Infinity Fabric. Ta konstrukcja pozwala AMD na efektywne skalowanie wydajności i liczby rdzeni, jednocześnie utrzymując opłacalność i elastyczność.

Intel EMIB: EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) Intela to innowacyjne podejście do pakowania różnych układów scalonych (chipletów) w jedną obudowę, umożliwiające szybką komunikację między nimi. Ta technologia umożliwia integrację heterogenicznych układów – takich jak CPU, GPU i pamięć – w jedną obudowę, optymalizując wydajność i efektywność energetyczną.

Jednym z godnych uwagi zastosowań technologii EMIB jest wykorzystanie przez Intela FPGA Stratix 10 i FPGA Agilex, które znajdują zastosowanie w aplikacjach od centrów danych po infrastrukturę sieciową i systemy wbudowane. Wykorzystując EMIB, Intel dostarcza spersonalizowane, wysokowydajne rozwiązania obliczeniowe, które spełniają konkretne potrzeby klientów.

Versal ACAP: Seria Versal ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform) reprezentuje kategorię heterogenicznych urządzeń obliczeniowych, które łączą silniki przetwarzania skalarnego, adaptowalny sprzęt i inteligentne silniki z najnowocześniejszymi technologiami pamięci i interfejsów, dostarczając potężne i elastyczne możliwości.

Wszechstronność i wydajność serii Versal ACAP demonstrują korzyści projektów opartych na chipletach. Te wysoce adaptowalne produkty spełniają potrzeby szerokiego zakresu aplikacji, od przyspieszania sieci i chmury po obliczenia wbudowane i wnioskowanie AI.

Spoglądając za horyzont

Poza tymi przykładami, technologia chipletów jest gotowa do zrewolucjonizowania branż, w tym telekomunikacji dla sieci 5G, elektroniki samochodowej dla zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS), a nawet eksploracji kosmosu, gdzie modułowe i skalowalne systemy są nieocenione.

W miarę jak przemysł półprzewodnikowy zmaga się z ograniczeniami tradycyjnego skalowania, projekty oparte na chipletach pojawiają się jako potężna alternatywa, obiecująca napędzać kolejną falę postępu technologicznego. Oferując niezrównaną elastyczność, efektywność kosztową i możliwość dostosowania wydajności do konkretnych potrzeb, chiplety reprezentują znaczącą zmianę w filozofii projektowania elektroniki. Stojąc na progu tej nowej rzeczywistości, gotowość i zdolność projektantów i inżynierów branży do przyjęcia i udoskonalenia technologii chipletów będzie kluczowa w kształtowaniu przyszłości elektroniki.