Tại sao Thiết kế Điện tử Tương lai Có Thể Dựa trên Chiplet

Trong bối cảnh ngành công nghiệp bán dẫn luôn biến đổi, một sự chuyển dịch đang diễn ra từ kiến trúc chip đơn khối truyền thống sang thiết kế dựa trên chiplet linh hoạt hơn. Sự chuyển này không chỉ là thay đổi về kỹ thuật sản xuất. Nó đại diện cho một sự tiến hóa đáng kể trong cách ngành công nghiệp điện tử khái niệm, thiết kế và cung cấp các thành phần điện tử điều khiển thế giới hiện đại. Kiến trúc dựa trên chiplet đang nổi lên như một lực lượng thúc đẩy đổi mới, mở ra một hướng hứa hẹn để tiếp tục tăng trưởng vượt bậc về hiệu suất tính toán trong kỷ nguyên hậu Luật Moore.

Hiểu về Chiplets

Tại cốt lõi, chiplets là các thành phần bán dẫn nhỏ, được sản xuất độc lập mà – khi kết hợp trong một gói đơn – hoạt động một cách đồng nhất để thực hiện như một chip truyền thống. Sự phân tách này cho phép một mức độ linh hoạt và tùy chỉnh trước đây không thể đạt được trong các thiết kế đơn khối. Bằng cách xem xét các chiplet như các khối xây dựng, các nhà thiết kế có thể tạo ra các hệ thống được tùy chỉnh cao đáp ứng các tiêu chí hiệu suất cụ thể.

Lợi ích Kỹ thuật: Một trong những lợi ích hấp dẫn nhất của chiplets là khả năng vượt qua một số hạn chế mà chip truyền thống phải đối mặt, đặc biệt khi ngành công nghiệp bán dẫn tiến gần hơn đến giới hạn vật lý của công nghệ dựa trên silicon. Chiplets mở ra một con đường phía trước, cho phép tiếp tục cải thiện hiệu suất thông qua các phương tiện khác ngoài việc thu nhỏ transistor.

Chiplets cho phép các hệ thống trở nên linh hoạt và mở rộng hơn, thích ứng với những tiến bộ công nghệ nhanh chóng mà không cần thiết kế lại toàn bộ chip. Hơn nữa, hiệu suất của các hệ thống dựa trên chiplet có khả năng cao hơn đáng kể, vì mỗi chiplet có thể được sản xuất bằng quy trình phù hợp nhất cho chức năng của nó thay vì một sự thỏa hiệp phù hợp với tất cả các phần của một chip đơn khối.

Hiệu quả Chi phí: Trong sản xuất bán dẫn, các yếu tố kinh tế cũng quan trọng như các yếu tố kỹ thuật. Việc phát triển chip đơn khối, đặc biệt ở biên giới công nghệ, đối mặt với chi phí cao và rủi ro lớn liên quan đến tổn thất sản xuất. Các chip silicon đơn khối lớn được sản xuất bằng quy trình tiên tiến hơn có khả năng cho tỷ lệ lợi nhuận thấp hơn cho một số lượng lỗi nhất định; phương pháp chiplet phân tán lỗi qua một số lượng lớn chiplets và do đó tăng tỷ lệ lợi nhuận trên mỗi wafer.

Những Lực Lượng Thúc Đẩy Việc Áp Dụng Chiplet

Luật Moore và Giới hạn của Nó: Ngành công nghiệp bán dẫn đã lâu được hướng dẫn bởi Luật Moore, quan sát rằng số lượng transistor trên một chip tăng gấp đôi khoảng mỗi hai năm, dẫn đến việc cải thiện hiệu suất đều đặn. Tuy nhiên, khi tốc độ thu nhỏ này chậm lại do các rào cản kỹ thuật và kinh tế, ngành công nghiệp buộc phải tìm kiếm các lộ trình thay thế cho sự tăng trưởng. Công nghệ chiplet xuất hiện như một giải pháp hấp dẫn, cung cấp một con đường khả thi để tiếp tục cải thiện hiệu suất thông qua đổi mới kiến trúc thay vì dựa vào sự vĩnh cửu của Luật Moore.

Độ Phức tạp và Chuyên môn hóa: Nhu cầu về khả năng xử lý phức tạp và chuyên biệt ngày càng tăng trong tất cả các lĩnh vực, từ trí tuệ nhân tạo (AI) và phân tích dữ liệu lớn đến tính toán hiệu suất cao và Internet vạn vật (IoT). Kiến trúc chiplet đáp ứng nhu cầu này bằng cách cho phép kết hợp các đơn vị xử lý chuyên biệt được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ cụ thể, tạo ra các hệ thống mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng hơn.

Linh Hoạt Chuỗi Cung Ứng và Sản Xuất: Chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu ngày càng dễ bị gián đoạn bởi căng thẳng chính trị, tranh chấp thương mại và các sự kiện bất ngờ như đại dịch. Kiến trúc chiplet có thể giảm bớt một số rủi ro này bằng cách tạo điều kiện cho các chiến lược sản xuất linh hoạt và kiên cường hơn. Vì chiplet có thể được sản xuất và cung cấp từ các nhà cung cấp và địa điểm khác nhau, các nhà sản xuất có thể giảm thiểu tác động của sự gián đoạn địa phương, đảm bảo nguồn cung ổn định hơn cho các thành phần quan trọng.

Thách Thức Kiến Trúc và Tích Hợp Chiplet

Thiết Kế và Tích Hợp: Lời hứa của chiplet đi kèm với những thách thức đáng kể về thiết kế và tích hợp. Tạo ra một hệ thống đồng nhất từ các thành phần khác nhau đòi hỏi công nghệ và phương pháp kết nối tiên tiến. Các kết nối này phải hỗ trợ băng thông cao và độ trễ thấp để cho phép chiplet giao tiếp hiệu quả, càng gần với hiệu suất của một chip đơn khối càng tốt.

Kiểm Tra và Độ Tin Cậy: Đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của các hệ thống dựa trên chiplet làm tăng thêm độ phức tạp cho quá trình kiểm tra. Mỗi chiplet và các kết nối của nó phải được kiểm tra nghiêm ngặt để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng và độ tin cậy để đảm bảo gói chiplet lắp ráp cuối cùng hoạt động như ý dưới mọi điều kiện.

Phát Triển Hệ Sinh Thái và Tiêu Chuẩn: Sự chấp nhận rộng rãi của công nghệ chiplet sẽ đòi hỏi sự phát triển của một hệ sinh thái mạnh mẽ, bao gồm các tiêu chuẩn chung cho thiết kế, giao tiếp và tích hợp. Việc thiết lập các tiêu chuẩn này là quan trọng cho sự tương tác nhất quán giữa các chiplet từ các nhà sản xuất khác nhau, điều này sẽ thúc đẩy đổi mới và giảm chi phí thông qua quy mô kinh tế.

Ví Dụ Chiplet Trong Thực Tế

Dưới đây là một số ví dụ nổi bật về tiềm năng của công nghệ chiplet được hiện thực hóa ngày nay.

AMD Ryzen và EPYC Processors: Cách tiếp cận của AMD trong việc sử dụng chiplet trong dòng vi xử lý Ryzen và EPYC cho thấy những lợi ích đáng kể về hiệu suất và hiệu quả có thể đạt được với kiến trúc dựa trên chiplet. Kiến trúc chiplet của AMD, được giới thiệu với thế hệ vi xử lý Zen 2 và các thế hệ tiếp theo, sử dụng nhiều chip nhỏ hơn (chiplet) kết nối qua liên kết Infinity Fabric tốc độ cao. Thiết kế này cho phép AMD mở rộng hiệu suất và số lõi một cách hiệu quả trong khi vẫn duy trì tính kinh tế và linh hoạt.

Intel EMIB: EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) của Intel là một cách tiếp cận đổi mới trong việc đóng gói các vi mạch bán dẫn khác nhau (chiplet) vào một gói duy nhất, cho phép giao tiếp tốc độ cao giữa chúng. Công nghệ này cho phép tích hợp các chip đa dạng – như CPU, GPU và bộ nhớ – vào một gói duy nhất, tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả năng lượng.

Một ứng dụng đáng chú ý của công nghệ EMIB là Stratix 10 FPGAs và Agilex FPGAs của Intel, phục vụ cho các ứng dụng từ trung tâm dữ liệu đến cơ sở hạ tầng mạng và hệ thống nhúng. Sử dụng EMIB, Intel cung cấp các giải pháp tính toán hiệu suất cao, tùy chỉnh, đáp ứng nhu cầu cụ thể của khách hàng.

Versal ACAP: Dòng Versal ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform) đại diện cho một loại thiết bị tính toán đa dạng kết hợp động cơ xử lý vô hình, phần cứng có thể điều chỉnh và động cơ thông minh với công nghệ bộ nhớ và giao tiếp tiên tiến nhất để cung cấp khả năng mạnh mẽ và linh hoạt.

Dòng Versal ACAP chứng minh lợi ích của các thiết kế dựa trên chiplet với sự linh hoạt và hiệu suất của nó. Những sản phẩm này có khả năng thích ứng cao đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng, từ tăng tốc mạng và đám mây đến tính toán nhúng và suy luận AI.

Nhìn Về Tương Lai

Ngoài những ví dụ trên, công nghệ chiplet đang sẵn sàng để cách mạng hóa các ngành công nghiệp, bao gồm viễn thông cho mạng 5G, điện tử ô tô cho các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS), và thậm chí cả khám phá không gian, nơi mà các hệ thống có thể mở rộng và linh hoạt là vô giá.

Khi ngành công nghiệp bán dẫn đang đối mặt với giới hạn của việc mở rộng truyền thống, các thiết kế dựa trên chiplet đang nổi lên như một lựa chọn mạnh mẽ, hứa hẹn sẽ thúc đẩy làn sóng tiến bộ công nghệ tiếp theo. Với khả năng linh hoạt không giới hạn, hiệu quả về chi phí và khả năng tùy chỉnh hiệu suất theo nhu cầu cụ thể, chiplets đại diện cho một sự thay đổi lớn trong triết lý thiết kế điện tử. Khi chúng ta đứng trước thực tế mới này, sự sẵn lòng và khả năng của các nhà thiết kế và kỹ sư trong ngành để ôm nhận và tinh chỉnh công nghệ chiplet sẽ rất quan trọng trong việc hình thành tương lai của điện tử.