Überblick
In der dynamischen Halbleiterindustrie gibt es derzeit einen Trend weg von konventionellen monolithischen Chiparchitekturen und hin zu modulareren, Chiplet-basierten Designs. Dieser Wandel bringt mehr als nur eine Änderung der Produktionsmethoden mit sich. Er bedeutet einen wesentlichen Fortschritt in der Art und Weise, wie die Elektronikbranche die elektronischen Teile konzipiert, herstellt und vertreibt, die den modernen Planeten antreiben. Im Zeitalter nach dem Mooreschen Gesetz werden Chiplet-basierte Architekturen zu einem Katalysator für Innovationen und zu einer möglichen Möglichkeit, die exponentielle Entwicklung der Computerleistung aufrechtzuerhalten.
Jedes IoT-Gerät (Internet of Things) benötigt einen anderen Funktionsumfang, wie Speicher, Rechenleistung, Sensortechnologie und Verbindung. Die Entwicklung dieser Funktionen im herkömmlichen Entwicklungszyklus für Halbleitersysteme auf einem Chip (SoC) ist daher einfach zu teuer und zeitaufwändig. Infolgedessen werden viele kreative Produkte nie auf den Markt gebracht. Für monolithische Chips gibt es jedoch eine Alternative in Form von Silizium-Chiplets, die sehr kostengünstig hergestellt werden können und die schnelle Entwicklung maßgeschneiderter Funktionen mithilfe modularer Bausteine ermöglichen. Trotz der einzigartigen technologischen und kommerziellen Schwierigkeiten, die Chiplets mit sich bringen, nimmt die Halbleiterindustrie die Idee zweifellos an und entwickelt Lösungen zur Weiterentwicklung der Chiplet-Architekturen.
In jüngster Zeit haben sich Chiplet-basierte Lösungen als vielversprechende Technologie erwiesen, um das Mooresche Gesetz bei mehreren führenden Halbleiterherstellern und Cloud-Anbietern der Branche wie Intel, AMD, Broadcom und Amazon auszuweiten. Zu ihrem unglaublichen Aufstieg haben verschiedene Faktoren beigetragen, darunter die Vermeidung extrem großer Chipgrößen zur Erzielung höherer Erträge, die Ermöglichung einer Produktdiversifizierung durch Mix-and-Match-Techniken zur Kosteneinsparung und Wiederverwendung sowie die Förderung einer heterogenen Integration, bei der Chiplets aus verschiedenen Prozessknoten zur Optimierung von Funktion, Kosten und Leistung integriert werden.
Abbildung 1: Integration von Chipsätzen entlang der Halbleiter-Wertschöpfungskette
Quelle: DBMR-Analyse
Faktoren, die die Einführung von Chiplet beeinflussen
- Komplexität und Spezialisierung: In allen Branchen, von Big Data Analytics und künstlicher Intelligenz (KI) bis hin zu Hochleistungsrechnern und dem Internet der Dinge (IoT), steigt die Nachfrage nach immer ausgefeilteren und spezialisierteren Verarbeitungsfunktionen. Um diesen Bedarf zu decken, kombinieren Chiplet-Architekturen spezialisierte Verarbeitungseinheiten, die für bestimmte Aufgaben optimiert sind, und schaffen so leistungsfähigere und energieeffizientere Systeme.
- Moores Gesetz und seine Nachteile:Die Erkenntnis, dass sich die Transistoranzahl eines Chips etwa alle zwei Jahre verdoppelt, was zu konstanten Leistungssteigerungen führt, diente der Branche lange als Kompass. Aufgrund technologischer und finanzieller Hindernisse verlangsamt sich jedoch die Skalierungsrate, sodass das Unternehmen nach anderen Expansionsmöglichkeiten suchen muss. Als Alternative dazu, sich ausschließlich auf das Mooresche Gesetz zu verlassen, um Leistungsverbesserungen durch architektonische Durchbrüche aufrechtzuerhalten, stellt die Chiplet-Technologie einen attraktiven Ansatz dar.
- Flexibilität im Herstellungsprozess und in der Lieferkette: Internationale Lieferketten für Halbleiter werden anfälliger für Störungen durch unvorhergesehene Ereignisse wie Pandemien, Handelsstreitigkeiten und geopolitische Konflikte. Chiplet-Architekturen bieten anpassungsfähigere und robustere Produktionsprozesse, was dazu beiträgt, einige dieser Bedenken auszuräumen. Hersteller können die Auswirkungen lokaler Störungen abmildern, indem sie Chiplets aus verschiedenen Quellen und Regionen produzieren und beziehen und so eine stetigere Versorgung mit wichtigen Komponenten sicherstellen.
Herausforderungen bei der Chiplet-Architektur und -Integration
- Tests und Zuverlässigkeit: Wenn es darum geht, sicherzustellen, dass Chiplet-basierte Systeme funktionieren und zuverlässig sind, wird das Testen komplizierter. Um zu garantieren, dass das fertige Chiplet-Paket unter allen Bedingungen wie vorgesehen funktioniert, müssen jedes Chiplet und seine Verbindungen umfangreichen Tests unterzogen werden, um Qualitäts- und Zuverlässigkeitskriterien zu erfüllen.
- Design und Integration: Obwohl Chiplets großes Potenzial bergen, müssen noch eine Reihe von Design- und Integrationsproblemen gelöst werden. Es sind komplexe Konnektivitätstechnologien und -prozesse erforderlich, um verschiedene Komponenten zu einem kohärenten System zusammenzuführen. Damit Chiplets effizient interagieren und die Leistung eines monolithischen Chips so gut wie möglich nachahmen können, müssen diese Verbindungen eine hohe Bandbreite und geringe Latenz aufweisen.
- Entwicklung des Ökosystems und der Standards: Da die Chiplet-Technologie immer weiter verbreitet ist, muss ein starkes Ökosystem mit gemeinsamen Standards für Design, Kommunikation und Integration geschaffen werden. Die Festlegung dieser Standards ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass Chiplets verschiedener Hersteller konsistent miteinander kommunizieren können. Dies fördert Innovationen und senkt die Kosten durch die Nutzung von Skaleneffekten.
Vorteile der Chiplet-Technologie
Vergleicht man Chiplet-basierte Architekturen mit herkömmlichen monolithischen System-on-Chips (SoCs), werden mehrere Vorteile deutlich. Dazu gehören verbesserte Funktionalität, geringerer Stromverbrauch und mehr Gestaltungsfreiheit. Mehrere Experten gehen davon aus, dass spezialisierte Chiplets mit der Weiterentwicklung der Spitzentechnologie zu einem gängigen Bestandteil von Verbrauchergeräten werden.
- Durch die einfache Anpassung und Aktualisierung können die Entwicklungszeiten verkürzt und die Kosten gesenkt werden.
- Chiplets verbessern die Leistung durch die Verwendung einzigartiger, für bestimmte Aufgaben optimierter Verarbeitungskomponenten.
- Die Chiplet-Technologie ist für ihre Flexibilität bekannt, die es Herstellern ermöglicht, sich schnell an veränderte Marktbedingungen und neue technologische Entwicklungen anzupassen
- Da der laterale Datenfluss zwischen Computerchips mehr als die Hälfte ihres Stromverbrauchs ausmacht, hat der Bau von Schaltkreisen aus Chiplets auch große positive Auswirkungen auf die Umwelt.
- Chiplets reduzieren den Bedarf an komplexer Verkabelung, Kühlsystemen und Zusatzkomponenten, die in herkömmlichen Chipdesigns vorhanden sind, erheblich, indem sie verschiedene Funktionen in einer einzigen Einheit kombinieren.
Auch wenn herkömmliche Chipsätze heute den Großteil der Computertechnologie in elektronischen Geräten steuern, ist klar, dass sich dieser Trend in Zukunft ändern wird. Experten gehen davon aus, dass mit dem Fortschritt der Spitzentechnologie spezialisierte Chiplets weit verbreitet sein werden.
Die heterogene Chiplet-Integration ist derzeit ein schnell wachsender Markt. Sowohl AMD als auch Intel produzieren in großen Mengen Mikroprozessoren, die heterogene integrierte Verpackungstechnologie und Chiplet-Designs umfassen. Der M1 Ultra-Chip von Apple wurde im März 2022 vorgestellt. In diesem Chip wird eine Chiplet-Architektur verwendet, die die Leistung des Mac-PCs verbessert. Wir befinden uns noch in den frühen Phasen der Chiplet-Entwicklung und -Herstellung. Aber wenn sich die Industriestandards verfestigen, werden bisher undenkbare Computermodelle auftauchen.
Der globale System-on-Chip (SoC)-Markt hat aufgrund der steigenden Nachfrage nach SoC in zahlreichen Anwendungen, darunter Smart Devices, autonome Fahrzeuge, tragbare medizinische Geräte und andere, ein erhebliches Wachstum erlebt. Hinzu kommen steigende Investitionen verschiedener Regierungsstellen in den Aufbau von Fertigungs- und Produktionsanlagen, die das Wachstum im Prognosezeitraum unterstützen. Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research wird der globale System-on-Chip (SoC)-Markt von 2022 bis 2029 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8,55 % wachsen.
Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter:https://www.databridgemarketresearch.com/de/reports/global-system-on-chip-soc-market
Zahlreiche Chancen und Herausforderungen rund um den Markt des Internet der Dinge (IoT)
Abbildung 1: Einbindung von Chipsätzen in verschiedene IOT-Geräte
Quelle: DBMR-Analyse
Um Spitzenleistungen zu erzielen, konzentrierte man sich bei Halbleiterinvestitionen auf die Miniaturisierung von Geräten. Für Geräte des Internets der Dinge ist dies jedoch nicht der beste Ansatz. Im Rahmen der weltweiten Bemühungen um die digitale Transformation wird erwartet, dass das Internet der Dinge (IoT) mit der Einführung von 5G und Cloud Computing Unternehmen jeder Größe revolutionieren wird. Zumindest für die nächsten Jahre wird erwartet, dass die weltweiten Ausgaben für das Internet der Dinge im zweistelligen Bereich steigen werden.
IoT hat Auswirkungen auf jeden Aspekt der Gesellschaft, darunter Unternehmen, Regierung und Verbraucher. Branchen wie Fertigung, Transport und Versorgungswirtschaft investieren erheblich in diese neue Technologie. Darüber hinaus werden die Verbraucher die Nachfrage nach intelligenten Geräten steigern, die sie über ihr Zuhause und ihre Gesundheit auf dem Laufenden halten.
Da immer mehr einzigartige Anwendungsfälle auftauchen, bietet die wachsende Zahl von IoT-Anwendungsfällen großes Potenzial für Halbleiterhersteller, die die zugrunde liegenden siliziumbasierten Komponenten liefern, sowie für OEMs, die innovative Lösungen anbieten möchten. Um diese neuen Anwendungsfälle zu ermöglichen und den Markt noch weiter voranzutreiben, müssen jedoch die Preise für IoT-Geräte – insbesondere für die Siliziumchips, die ihre Intelligenz antreiben – gesenkt werden. Das Ziel der Halbleiterinvestitionen der letzten 50 Jahre bestand darin, die integrierte Schaltkreisleistung einzelner monolithischer Chips zu verbessern, die in Hochleistungsanwendungen verwendet werden. Infolgedessen wurde die Größe jedes einzelnen Transistors in Halbleiterchips kontinuierlich verringert.
Unternehmen in der Halbleiterlieferkette haben in ältere und etabliertere IoT-Knoten reinvestiert, aber diese Strategie wird wahrscheinlich nicht von Dauer sein. Als Reaktion auf den IoT-Markt haben Halbleiterhersteller eine zweite Investitionswelle gestartet, um dieselbe monolithische System-on-a-Chip-Technik (SoC) einzusetzen und frühere, etablierte Knotengrößen für den Einsatz in Mixed-Signal-Internet-of-Things-Anwendungen wiederzuverwenden. Dies zeigt sich daran, dass selbst nach der Einführung neuerer, kleinerer Prozessknoten immer noch eine erhebliche Nachfrage nach Wafern mit größeren Knotengrößen besteht. Halbleiterunternehmen geben Millionen von Dollar für diese enorme Herausforderung aus, analoge Funktionen von 55 nm und 40 nm auf 22 nm zu migrieren. Das Migrationsverfahren wird schwieriger und teurer, je kleiner die Geometrien werden.
Es ist abzusehen, dass die IoT-Branche für Technologieunternehmen in den nächsten zehn Jahren erheblich wachsen wird. Chiphersteller werden versuchen, ein Produktportfolio aufzubauen, das es ihnen ermöglicht, eine breite Palette potenzieller Anwendungen in unterschiedlichen Sektoren abzudecken. Angesichts der bestehenden monolithischen Architektur, die in vielerlei Hinsicht Probleme aufwirft, wird es jedoch aufgrund der Vielfalt der IoT-Anwendungsfälle äußerst schwierig sein, dies zu einem angemessenen Preis zu erreichen.
Der globale Markt für Lösungen zum Internet der Dinge (IoT) verzeichnet in den letzten Jahren ein erhebliches Wachstum aufgrund der rasanten Entwicklung der 5G-Infrastruktur für Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Hinzu kommen zunehmende Smart-City-Initiativen, eine zunehmende Cloud-Nutzung und die Nutzung von mehr vernetzten Geräten, die das Wachstum des gesamten IoT-Marktes im Prognosezeitraum unterstützen. Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research wird der Markt für globale Lösungen zum Internet der Dinge (IoT) von 2022 bis 2029 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 29,30 % wachsen.
Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter:https://www.databridgemarketresearch.com/de/reports/global-iot-solutions-market
Chiplets helfen dabei, die Eintrittsbarrieren für das IoT zu beseitigen
Monolithische Prozessoren sind nicht immer die beste Methode, um Mixed-Signal-Geräte für das Internet der Dinge zu konstruieren. Die Verwendung von Chiplet-Architekturen ist eine alternative Methode, die die Verwendung mehrerer Chiplets auf einem einzigen Substrat oder in einem einzigen Paket ermöglicht, jedes mit einer eigenen Prozessknotengröße. Im Vergleich zum SoC-Ansatz bieten diese Arten von Architekturen IoT-Produktentwicklern eine Reihe von Vorteilen, darunter geringere Investitions- und Produktionskosten bei geringeren Spezialisierungskosten. Darüber hinaus sind weitere Vorteile eine kürzere Markteinführungszeit, geringere Versorgungsrisiken für OEMs und eine einfachere architektonische Partitionierung.
- Geringere Investitionskosten und Spezialisierung: Die Entwicklung eines neuen Zielprozessknotens für eine Chipfamilie erfordert häufig erhebliche finanzielle Aufwendungen sowie eine sorgfältige Planung, um einen angemessenen Return on Investment (ROI) sicherzustellen. Sowohl der gewählte Prozessknoten als auch die Größe und Komplexität des Chips bestimmen in erster Linie die Anfangsinvestition. Chiplet-basierte Architekturen, die Funktionsblöcke in etablierteren Knotengrößen verwenden, anstatt sie auf neueren, kleineren Knoten aufzubauen, würden für die Entwicklung gleicher Funktionalität viel weniger Geld erfordern.
OEMs müssen lediglich die für ihre Anwendung erforderlichen Spezial-Chiplets erstellen und diese mit handelsüblichen Chiplets integrieren, um die Standardfunktionalität zu erhalten. Darüber hinaus führt die Chiplet-Strategie zu geringeren Designkosten für jedes Endprodukt.
- Schnellerer Einstiegspunkt: Chiplets ermöglichen in zweierlei Hinsicht eine schnellere Markteinführung neuer Produkte, was einen großen kommerziellen Vorteil darstellt:
Schnellere Prototypenentwicklung: OEMs und Halbleiterunternehmen können verschiedene Siliziumblöcke, einschließlich benutzerdefinierter Chiplets, kombinieren, um ein Testprodukt für schnelle Markttests zu erstellen. Sie müssen nicht viel in die Entwicklung eines neuen monolithischen Chips investieren und sicherstellen, dass alle Blöcke auf der gewählten Knotengröße ordnungsgemäß funktionieren.
Einfachere Upgrades: Durch das Hinzufügen neuer Funktionen zu einem Chip, ohne ihn vollständig neu zu entwickeln, können Funktionsblöcke aus einer „Siliziumbibliothek“ mit geistigem Eigentum (IP) von Drittanbietern ausgewählt werden, wodurch Test- und Validierungszeit gespart wird.
Dies ist besonders hilfreich, wenn sich einige Funktionen schneller entwickeln als andere, wie es derzeit bei ML-Chips der Fall ist.
- Geringere Produktionskosten und minimales Versorgungsrisiko für OEMs: Sobald Design und Leistungsfähigkeit eines Chips verifiziert wurden, kann dieser an eine Produktionsstätte zur Massenproduktion geschickt werden. Die Chiplet-Strategie kann die Stückkosten der Chipproduktion und damit auch des fertigen Produkts sowie die Kosten und Dauer der Übertragung senken. Chiplet-Topologien, die größere Prozessknoten für die analogen Komponenten verwenden, führen zu einer geringeren Anzahl von Designänderungen, höheren Erträgen und einfacheren Herstellungsverfahren.
Indem OEMs ihre Funktionsblöcke von mehreren Lieferanten statt nur von einem beziehen können, tragen Chiplet-Designs dazu bei, das Versorgungsrisiko zu senken.
Die Einführung der Chiplets wird in Zukunft eine glänzende Zukunft darstellen
Die zunehmende Vielfalt möglicher kostengünstiger Anwendungen für das Internet der Dinge treibt das Wachstum des Chiplet-Ansatzes voran. Die Anpassungsfähigkeit von Chiplets, die schnelle Markteinführungszeit sowie die niedrigeren Entwicklungs- und Herstellungskosten machen deutlich, dass sie das Potenzial haben, die nächste Welle innovativer, kostengünstiger IoT-Lösungen voranzutreiben. Mithilfe dieser Designs können Erstausrüster (OEMs) mühelos modernste digitale und analoge Funktionen in ihre Endprodukte integrieren und so neben optimaler Leistung auch eine größere Designflexibilität bieten. Die Verwendung einer Mix-and-Match-Strategie kann auch zu niedrigeren Entwicklungskosten für diese Artikel führen, da die speziellen Funktionen als Chiplets erstellt und anschließend mit handelsüblichen Chiplets gepaart werden können. Der optimierte Prozess der Entwicklung und des Übergangs zur Herstellung führt auch zu einer erheblichen Verbesserung der Markteinführungszeit.
Auch Halbleiterunternehmen können von dieser Technik profitieren. Mit Chiplets können Halbleiterunternehmen ihre Portfolios kleiner halten, Entwicklungskosten und -zeiträume verkürzen und optimalere Produkte für ein breiteres Anwendungsspektrum anbieten. Die laufenden Fortschritte der Halbleiterindustrie bei der Verpackung und Verbindung zur Erleichterung dieser Anwendungsfälle sind ein Beweis für diesen Wunsch. Integrationstechnologien werden sich weiterentwickeln, um die gesamte Palette von IoT-Geräten zu unterstützen, von extrem komplexen ML-fähigen autonomen Fahrzeugsensoren – bei denen die Leistung entscheidend ist – bis hin zu günstigeren Smart Tags für den Verbrauchergebrauch.
Abschluss
Chiplets sind eine willkommene Abkehr von herkömmlichen monolithischen Chiptechniken und werden die Tür zu einer Fülle innovativer, kostengünstiger Geräte für das Internet der Dinge öffnen, die bisher undenkbar waren. Sowohl OEMs als auch Halbleiterunternehmen können davon nur profitieren.
Die Chiplet-Technologie hat das Potenzial, zahlreiche Branchen grundlegend zu verändern, etwa die Weltraumforschung, wo modulare und skalierbare Systeme unverzichtbar sind, die Telekommunikation für 5G-Netze und die Automobilelektronik für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS).
Da die herkömmliche Skalierung die Halbleiterindustrie vor Herausforderungen stellt, kristallisieren sich Chiplet-basierte Designs als potente Alternative heraus, die die nächste Generation technologischer Entwicklungen vorantreiben könnte. Mit ihrer beispiellosen Flexibilität, niedrigen Kosten und der Möglichkeit, die Funktionalität an individuelle Anforderungen anzupassen, markieren Chiplets eine dramatische Abkehr vom traditionellen Ansatz des elektronischen Designs. Die Fähigkeiten und der Wille der Designer und Ingenieure der Branche, die Chiplet-Technologie zu übernehmen und weiterzuentwickeln, werden entscheidend sein, um die Richtung der Elektronik zu bestimmen, wenn wir uns dieser neuen Realität nähern.
