Почему будущие электронные конструкции могут быть основаны на чиплетах

В постоянно меняющемся ландшафте полупроводниковой промышленности происходит сдвиг от традиционных монолитных архитектур чипов к более модульным, основанным на чиплетах дизайнам. Этот переход не просто изменение в технике производства. Он представляет собой значительную эволюцию в том, как электронная промышленность концептуализирует, проектирует и поставляет электронные компоненты, движущие современным миром. Архитектуры на основе чиплетов выступают в качестве движущей силы инноваций, предлагая многообещающий путь для продолжения экспоненциального роста вычислительной производительности в эпоху после закона Мура.

Понимание Чиплетов

В своей основе, чиплеты являются маленькими, независимо произведенными полупроводниковыми компонентами, которые – когда объединены в одном пакете – работают согласованно, выполняя функции традиционного, единого чипа. Эта дезагрегация позволяет достичь уровня универсальности и настройки, ранее недостижимого в монолитных дизайнах. Рассматривая эти чиплеты как строительные блоки, дизайнеры могут создавать высокоспециализированные системы, соответствующие конкретным критериям производительности.

Технические Преимущества: Одним из наиболее важных преимуществ чиплетов является их способность обходить некоторые ограничения, с которыми сталкивается традиционное производство чипов, особенно по мере приближения полупроводниковой промышленности к физическим ограничениям технологий на основе кремния. Чиплеты предлагают путь вперед, позволяя продолжать улучшение производительности другими способами, а не только за счет масштабирования транзисторов.

Чиплеты позволяют системам быть более масштабируемыми и гибкими, обеспечивая быстрое технологическое развитие без необходимости полного перепроектирования всего чипа. Более того, производительность систем на основе чиплетов может быть значительно выше, поскольку каждый чиплет может быть изготовлен с использованием процесса, наилучшим образом подходящего для его функции, а не компромисса, подходящего для всех частей монолитного чипа.

Экономическая Эффективность: В производстве полупроводников экономические факторы так же важны, как и технические. Разработка монолитных чипов, особенно на переднем крае технологий, связана с высокими затратами и значительными рисками, связанными с потерями выхода. Большие монолитные кремниевые чипы, произведенные с использованием более продвинутых процессов, имеют потенциал для более низкого выхода при данном количестве дефектов; подход с использованием чиплетов распределяет дефекты по большему количеству чиплетов и таким образом увеличивает выход на кристалл.

Движущие Силы За Принятием Чиплетов

Закон Мура и Его Ограничения: Полупроводниковая промышленность долгое время руководствовалась законом Мура, согласно которому количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года, что приводит к регулярному улучшению производительности. Однако, поскольку это темп масштабирования замедляется из-за технических и экономических барьеров, промышленность вынуждена искать альтернативные пути роста. Технология чиплетов выступает как убедительное решение, предлагая жизнеспособный путь для продолжения улучшения производительности через архитектурные инновации, а не полагаясь на вечность закона Мура.

Сложность и Специализация: Спрос на более сложные и специализированные возможности обработки растет во всех секторах, от искусственного интеллекта (ИИ) и аналитики больших данных до высокопроизводительных вычислений и Интернета вещей (IoT). Архитектуры на основе чиплетов решают эту потребность, позволяя комбинировать специализированные вычислительные блоки, оптимизированные для конкретных задач, что приводит к созданию более мощных и энергоэффективных систем.

Гибкость цепочек поставок и производства: Глобальные цепочки поставок полупроводников становятся всё более уязвимыми к перебоям из-за геополитических напряженностей, торговых споров и неожиданных событий, таких как пандемии. Архитектура на основе чиплетов может снизить некоторые из этих рисков, позволяя использовать более гибкие и устойчивые стратегии производства. Поскольку чиплеты могут производиться и поставляться разными поставщиками и из разных мест, производители могут снизить влияние локализованных перебоев, обеспечивая более стабильное поступление критически важных компонентов.

Архитектура и проблемы интеграции чиплетов

Проектирование и интеграция: Обещание чиплетов сопровождается значительными проблемами проектирования и интеграции. Создание целостной системы из разрозненных компонентов требует сложных технологий и методологий соединения. Эти соединения должны поддерживать высокую пропускную способность и низкую задержку, чтобы чиплеты могли эффективно общаться, максимально приближаясь к производительности монолитного чипа.

Тестирование и надежность: Обеспечение надежности и производительности систем на основе чиплетов добавляет слои сложности к процессу тестирования. Каждый чиплет и его соединения должны быть тщательно протестированы, чтобы соответствовать стандартам качества и надежности, чтобы гарантировать, что окончательно собранный пакет чиплетов работает как предполагалось во всех условиях.

Разработка экосистемы и стандартов: Широкое внедрение технологии чиплетов потребует разработки надежной экосистемы, включая универсальные стандарты для проектирования, коммуникации и интеграции. Установление этих стандартов критически важно для обеспечения согласованной взаимосовместимости между чиплетами от разных производителей, что будет способствовать инновациям и снижению затрат за счет экономии масштаба.

Примеры чиплетов в реальном мире

Вот несколько высокопрофильных примеров реализации потенциала технологии чиплетов на сегодняшний день.

Процессоры AMD Ryzen и EPYC: Подход AMD к использованию чиплетов в линейках процессоров Ryzen и EPYC демонстрирует значительные приросты производительности и эффективности, достижимые с архитектурой на основе чиплетов. Архитектура чиплетов AMD, представленная с поколением Zen 2 и последующими поколениями процессоров, использует несколько меньших чипов (чиплетов), соединенных через высокоскоростной интерконнект Infinity Fabric. Этот дизайн позволяет AMD эффективно масштабировать производительность и количество ядер, сохраняя при этом экономичность и гибкость.

Intel EMIB: EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) от Intel представляет собой инновационный подход к упаковке различных полупроводниковых кристаллов (чиплетов) в один пакет, позволяя высокоскоростное взаимодействие между ними. Эта технология позволяет интегрировать гетерогенные чипы – такие как ЦП, ГП и память – в один пакет, оптимизируя производительность и энергоэффективность.

Одним из заметных применений технологии EMIB являются FPGA Intel Stratix 10 и FPGA Intel Agilex, которые предназначены для приложений, варьирующихся от центров обработки данных до сетевой инфраструктуры и встроенных систем. Используя EMIB, Intel предоставляет настраиваемые высокопроизводительные вычислительные решения, которые удовлетворяют конкретные потребности клиентов.

Versal ACAP: Серия Versal ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform) представляет собой категорию гетерогенных вычислительных устройств, которые сочетают в себе скалярные процессорные блоки, адаптируемое аппаратное обеспечение и интеллектуальные движки с передовыми технологиями памяти и интерфейсов для обеспечения мощных и гибких возможностей.

Версатильность и производительность серии Versal ACAP демонстрируют преимущества дизайнов на основе чиплетов. Эти высокоадаптивные продукты удовлетворяют потребности широкого спектра приложений, от ускорения сети и облака до встроенных вычислений и вывода AI.

Взгляд за горизонт

Помимо этих примеров, технология чиплетов готова кардинально изменить многие отрасли, включая телекоммуникации для сетей 5G, автомобильную электронику для систем помощи водителю (ADAS), а также космические исследования, где модульные и масштабируемые системы бесценны.

Поскольку полупроводниковая промышленность сталкивается с ограничениями традиционного масштабирования, конструкции на основе чиплетов выходят на передний план как мощная альтернатива, обещающая стать двигателем следующей волны технологических достижений. Предлагая непревзойденную гибкость, экономическую эффективность и возможность настройки производительности под конкретные потребности, чиплеты представляют собой значительный сдвиг в философии электронного дизайна. Стоя на пороге этой новой реальности, готовность и способность дизайнеров и инженеров отрасли принять и усовершенствовать технологию чиплетов будет иметь решающее значение для формирования будущего электроники.