Descripción general
Dentro de la dinámica industria de los semiconductores, existe una tendencia actual que se aleja de las arquitecturas de chips monolíticos convencionales y se acerca a diseños más modulares basados en chiplets. Este cambio implica algo más que una simple modificación de los métodos de producción. Significa un avance sustancial en la forma en que el sector electrónico imagina, crea y distribuye las piezas electrónicas que impulsan el planeta contemporáneo. En la era posterior a la Ley de Moore, las arquitecturas basadas en chiplets se están convirtiendo en un catalizador para la innovación y una posible forma de sostener el desarrollo exponencial del rendimiento informático.
Cada dispositivo de Internet de las cosas (IoT) necesita un conjunto diferente de características, como memoria, potencia informática, tecnología de sensores y conexión; por lo tanto, desarrollar estas características utilizando el ciclo de desarrollo del sistema semiconductor en un chip (SoC) convencional es demasiado costoso y requiere mucho tiempo. Como resultado, muchos productos creativos nunca se lanzan al mercado. Sin embargo, los chips monolíticos tienen una alternativa en forma de chips de silicio, que pueden producirse a un costo muy económico y permiten el rápido desarrollo de funcionalidades personalizadas utilizando bloques de construcción modulares. A pesar de las dificultades tecnológicas y comerciales únicas que presentan los chiplets, la industria de los semiconductores sin duda está adoptando la idea y creando soluciones para avanzar en las arquitecturas de chiplets.
Recientemente, las soluciones basadas en chiplets se han vuelto evidentes como una tecnología prometedora para extender la ley de Moore a varios proveedores de semiconductores y proveedores de nube destacados de la industria, como Intel, AMD, Broadcom y Amazon. Una variedad de factores han contribuido a su increíble aumento, incluido evitar tamaños de matriz extremadamente grandes para obtener mayores rendimientos, permitir la diversificación de productos a través de técnicas de combinación para ahorrar costos y reutilizar, y fomentar la integración heterogénea, que implica la integración de chips de varios nodos de proceso. para optimización de funciones, costos y rendimiento.
Figura 1: Integración del conjunto de chips en toda la cadena de valor de semiconductores
Fuente: Análisis DBMR
Factores que influyen en la adopción de Chiplet
- Complejidad y Especialización: Todas las industrias, desde el análisis de big data y la inteligencia artificial (IA) hasta la computación de alto rendimiento y el Internet de las cosas (IoT), están experimentando un aumento en la demanda de capacidades de procesamiento cada vez más sofisticadas y especializadas. Para satisfacer esta necesidad, las arquitecturas de chiplets combinan unidades de procesamiento especializadas que están optimizadas para tareas particulares, creando sistemas que son más potentes y energéticamente eficientes.
- La ley de Moore y sus inconvenientes:El hallazgo de que el número de transistores de un chip se duplica aproximadamente cada dos años, lo que resulta en mejoras constantes en el rendimiento, ha servido durante mucho tiempo como brújula de la industria. Sin embargo, como resultado de obstáculos tecnológicos y financieros, el ritmo de escalamiento se desacelera, lo que obliga a la empresa a buscar otras formas de expandirse. Como alternativa a depender únicamente de la Ley de Moore para mantener las mejoras de rendimiento a través de avances arquitectónicos, la tecnología chiplet presenta un enfoque atractivo.
- Flexibilidad en el Proceso de Fabricación y Cadena de Suministro: Las cadenas de suministro internacionales de semiconductores se están volviendo más susceptibles a interrupciones provocadas por eventos imprevistos como pandemias, disputas comerciales y conflictos geopolíticos. Las arquitecturas chiplet proporcionan procesos de producción más adaptables y robustos, lo que ayuda a mitigar algunas de estas preocupaciones. Los fabricantes pueden disminuir los efectos de las interrupciones localizadas produciendo y obteniendo chipsets de diversas fuentes y regiones, asegurando un suministro más constante de componentes esenciales.
Desafíos enfrentados durante la arquitectura e integración de Chiplet
- Pruebas y confiabilidad: Las pruebas se vuelven más complicadas cuando se trata de garantizar que los sistemas basados en chiplets funcionen y sean confiables. Para garantizar que el paquete de chiplet final completo funcione según lo previsto en todas las condiciones, cada chiplet y sus interconexiones deben someterse a pruebas exhaustivas para cumplir con los criterios de calidad y confiabilidad.
- Diseño e Integración: Aunque los chiplets tienen un gran potencial, aún quedan una serie de cuestiones de diseño e integración por resolver. Se necesitan tecnologías y procesos de conectividad complejos para unir diferentes componentes y formar un sistema coherente. Para permitir que los chiplets interactúen de manera eficiente y imiten lo más fielmente posible el rendimiento de un chip monolítico, estas interconexiones deben tener un gran ancho de banda y una baja latencia.
- Desarrollo del Ecosistema y Estándares: A medida que la tecnología chiplet se utilice más ampliamente, será necesario establecer un ecosistema sólido que abarque estándares comunes para el diseño, la comunicación y la integración. El establecimiento de estos estándares es esencial para garantizar que los chiplets de varios fabricantes puedan comunicarse entre sí de manera consistente. Esto promoverá la innovación y reducirá los costos mediante la utilización de economías de escala.
Ventajas de la tecnología Chiplet
Al comparar las arquitecturas basadas en chiplets con los sistemas en chips (SoC) monolíticos convencionales, son evidentes varios beneficios. Estos beneficios incluyen una funcionalidad mejorada, un menor consumo de energía y una mayor libertad de diseño. Varios expertos predicen que los chiplets especializados se convertirán en un elemento común en los dispositivos de consumo a medida que la tecnología de vanguardia siga avanzando.
- Su capacidad para personalizarse y actualizarse fácilmente da como resultado tiempos de desarrollo más cortos y menores costos.
- Los chiplets mejoran el rendimiento mediante el uso de componentes de procesamiento únicos optimizados para tareas particulares.
- La tecnología chiplet es conocida por su flexibilidad, que permite a los productores adaptarse rápidamente a las condiciones cambiantes del mercado y a los nuevos desarrollos tecnológicos.
- Dado que el flujo lateral de datos entre los chips de computadora representa más de la mitad de su consumo de energía, la construcción de circuitos a partir de chips también tiene un gran impacto positivo en el medio ambiente.
- Los chiplets reducen en gran medida la necesidad de cableado complejo, sistemas de refrigeración y componentes auxiliares presentes en los diseños de chips tradicionales al combinar varias funciones en una sola unidad.
Aunque los conjuntos de chips convencionales controlan actualmente la mayor parte de la tecnología informática en dispositivos electrónicos, está claro que esta tendencia está a punto de cambiar en el futuro. A medida que avance la tecnología de vanguardia, los expertos predicen que los chiplets especializados se utilizarán ampliamente.
La integración heterogénea de chiplets es actualmente un mercado en rápida expansión. Tanto AMD como Intel están produciendo microprocesadores en grandes cantidades que incluyen tecnología de empaquetado integrada heterogénea y diseños de chiplets. El chip M1 Ultra de Apple se presentó en marzo de 2022. En este chip se utiliza la arquitectura chiplet, que mejora el rendimiento de la PC Mac. Todavía estamos en las primeras fases de desarrollo y fabricación de chiplets. Pero a medida que los estándares de la industria se solidifiquen, surgirán modelos informáticos hasta ahora impensables.
El mercado global de System-on-Chip (SoC) ha experimentado un crecimiento sustancial debido a la creciente demanda de SoC en múltiples aplicaciones, incluidos dispositivos inteligentes, vehículos autónomos, dispositivos médicos portátiles y otros. Además de esto, el aumento de la inversión por parte de diferentes organismos gubernamentales para establecer instalaciones de fabricación y producción complementa el crecimiento en el período previsto. Según el análisis de Data Bridge Market Research, se proyecta que el mercado global de System-on-Chip (SoC) crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 8,55% entre 2022 y 2029.
Para obtener más información sobre el estudio, visite:https://www.databridgemarketresearch.com/es/reports/global-system-on-chip-soc-market
Varias oportunidades y desafíos en torno al mercado de Internet de las cosas (IoT)
Figura 1: Incorporación de Chipset en diferentes dispositivos IoT
Fuente: Análisis DBMR
Para alcanzar un rendimiento de vanguardia, la inversión en semiconductores se ha concentrado en la miniaturización de dispositivos; sin embargo, este no es el mejor enfoque para los dispositivos de Internet de las cosas. Como parte del impulso mundial hacia la transformación digital, se ha anticipado que Internet de las cosas (IoT) revolucionará empresas de todos los tamaños con la introducción de 5G y la computación en la nube. Se prevé que, al menos durante los próximos años, el gasto mundial en Internet de las cosas aumentará a tasas de dos dígitos.
IoT tiene un impacto en todas las facetas de la sociedad, incluidas las corporaciones, el gobierno y los consumidores. Industrias como la manufactura, el transporte y los servicios públicos están realizando importantes inversiones en esta nueva tecnología. Además, los consumidores impulsarán la demanda de dispositivos inteligentes que los mantengan actualizados sobre su hogar y su salud.
A medida que surgen cada vez más casos de uso únicos, el creciente número de casos de uso de IoT ofrece un gran potencial para los fabricantes de semiconductores que suministran los componentes subyacentes basados en silicio, así como para los OEM que buscan ofrecer soluciones de vanguardia. Pero para hacer posibles estos nuevos casos de uso y hacer avanzar aún más el mercado, el precio de los dispositivos de IoT, especialmente el de los chips de silicio que alimentan su inteligencia, debe bajar. El objetivo de la inversión en semiconductores durante los últimos 50 años ha sido mejorar el rendimiento de los circuitos integrados de chips monolíticos individuales utilizados en aplicaciones de alto rendimiento. Como resultado, el tamaño de cada transistor individual dentro de los chips semiconductores ha ido disminuyendo continuamente.
Las empresas de la cadena de suministro de semiconductores han reinvertido en nodos de IoT que son más antiguos y están mejor establecidos, pero es poco probable que esta estrategia dure. En respuesta al mercado de IoT, los fabricantes de semiconductores han realizado una segunda ola de inversiones para emplear la misma técnica de sistema monolítico en un chip (SoC) para reutilizar tamaños de nodos anteriores y establecidos para su uso en aplicaciones de Internet de las cosas de señal mixta. Esto se demuestra por el hecho de que incluso con la introducción de nodos de proceso más nuevos y más pequeños, todavía existe una demanda significativa de obleas con tamaños de nodo más grandes. Las empresas de semiconductores están gastando millones de dólares en este enorme desafío de migrar la funcionalidad analógica de 55 nm y 40 nm a 22 nm. El procedimiento de migración es más difícil y costoso a medida que las geometrías se vuelven más pequeñas.
Se ha observado que se prevé que la industria de IoT crecerá significativamente para las empresas de tecnología durante los próximos diez años. Los fabricantes de chips intentarán crear una cartera de productos que les permita atender una amplia gama de usos potenciales en diversos sectores. Sin embargo, dada la arquitectura monolítica existente, que presenta problemas en numerosas dimensiones, lograr esto a un precio adecuado será extremadamente difícil debido a la variedad de casos de uso de IoT.
El mercado mundial de soluciones de Internet de las cosas (IoT) está experimentando un crecimiento sustancial en los últimos años debido al rápido desarrollo de la infraestructura 5g para la conectividad de alta velocidad. Además de esto, el aumento de las iniciativas de ciudades inteligentes, la creciente adopción de la nube y la utilización de más dispositivos conectados complementan el crecimiento del mercado general de IoT en el período de pronóstico. Según el análisis de Data Bridge Market Research, se proyecta que el mercado global de soluciones de Internet de las cosas (IoT) crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 29,30% entre 2022 y 2029.
Para obtener más información sobre el estudio, visite:https://www.databridgemarketresearch.com/es/reports/global-iot-solutions-market
Los chiplets actúan como ayuda para eliminar las barreras de entrada al IoT
Los procesadores monolíticos no siempre son la mejor manera de construir dispositivos de Internet de las cosas de señal mixta. El uso de arquitecturas de chiplets es un método alternativo que permite el uso de varios chiplets en un solo sustrato o en un solo paquete, cada uno con un tamaño de nodo de proceso distinto. En comparación con el enfoque SoC, este tipo de arquitecturas ofrecen una serie de ventajas a los desarrolladores de productos de IoT, incluida una menor inversión y costos de producción con un menor costo de especialización. Aparte de esto, otros beneficios incluyen un menor tiempo de comercialización, menores riesgos de suministro para los OEM y una partición arquitectónica más simple.
- Menor Costo de Inversiones y Especialización: La creación de un nuevo nodo de proceso objetivo para una familia de chips frecuentemente requiere un desembolso financiero sustancial, así como una planificación cuidadosa para garantizar un retorno de la inversión (ROI) respetable. Tanto el nodo de proceso elegido como el tamaño y la complejidad del chip determinan principalmente la inversión inicial. Las arquitecturas basadas en chiplets, que utilizan bloques funcionales en tamaños de nodos más establecidos en lugar de construirlos en nodos más nuevos y más pequeños, requerirían mucho menos dinero para desarrollar la misma funcionalidad.
Los OEM solo necesitan crear los chiplets especializados necesarios para su aplicación e integrarlos con los chiplets disponibles comercialmente para la funcionalidad estándar; la estrategia de los chiplets también resulta en menores costos de diseño para cualquier producto final determinado.
- Punto de entrada más rápido: Los chiplets permiten comercializar nuevos productos más rápido de dos maneras, lo que supone un importante beneficio comercial:
Creación de prototipos más rápida: los fabricantes de equipos originales y las empresas de semiconductores pueden mezclar y combinar diferentes bloques de silicio, incluidos chiplets personalizados, para crear un producto de prueba para pruebas rápidas de mercado, en lugar de tener que invertir mucho en el desarrollo de un nuevo chip monolítico y asegurarse de que todos los bloques funcionen correctamente. el tamaño de nodo elegido
Actualizaciones más simples: al agregar nueva funcionalidad a un chip sin rediseñarlo por completo, se podrían seleccionar bloques funcionales de una "biblioteca de silicio" de propiedad intelectual (IP) de terceros, ahorrando tiempo de prueba y validación.
Esto es especialmente útil si algunas funciones evolucionan más rápidamente que otras, como es el caso de los chips ML en este momento.
- Menos costos de producción y riesgo de suministro mínimo para los OEM: Se puede enviar un chip a una instalación para su producción en masa una vez que se hayan verificado su diseño y rendimiento. La estrategia de chiplets puede reducir los costes unitarios de producción del chip y, en consecuencia, del producto terminado, así como el coste y la duración de la transferencia. Las topologías de chiplet, que utilizan nodos de proceso más grandes para los componentes analógicos, dan como resultado un menor número de modificaciones de diseño, mayores rendimientos y procedimientos de fabricación más sencillos.
Al permitir que los OEM obtengan sus bloques funcionales de varios proveedores en lugar de uno solo, los diseños de chiplets ayudan a reducir el riesgo de suministro.
La adopción de los chiplets presentará un futuro brillante en el futuro
La creciente variedad de posibles aplicaciones de bajo costo de Internet de las cosas está impulsando el crecimiento del enfoque chiplet. La adaptabilidad de los chiplets, el rápido tiempo de comercialización y los menores costos de desarrollo y fabricación hacen evidente que tienen el potencial de impulsar la próxima ola de soluciones de IoT innovadoras y asequibles. Con la ayuda de estos diseños, los fabricantes de equipos originales (OEM) pueden integrar sin esfuerzo funciones digitales y analógicas de vanguardia en sus productos finales, ofreciendo una mayor flexibilidad de diseño además de un rendimiento óptimo. El uso de una estrategia de combinación y combinación también puede dar lugar a menores costos de desarrollo para estos elementos porque las características especiales pueden crearse como chiplets y posteriormente combinarse con chiplets disponibles comercialmente. El proceso simplificado de desarrollo y transición a la fabricación también da como resultado una mejora significativa en el tiempo de comercialización.
Las empresas de semiconductores también pueden beneficiarse de esta técnica. Con los chiplets, las empresas de semiconductores podrán mantener sus carteras más pequeñas, reducir los costos y plazos de desarrollo y ofrecer productos más óptimos para una gama más amplia de aplicaciones. El progreso continuo de la industria de los semiconductores en el empaquetado y las interconexiones para facilitar estos casos de uso es una prueba de este deseo. Las tecnologías de integración seguirán desarrollándose para admitir toda la gama de dispositivos IoT, desde sensores de automóviles autónomos extremadamente complejos habilitados para ML (donde el rendimiento es crucial) hasta etiquetas inteligentes más asequibles para uso del consumidor.
Conclusión
Los chiplets son una bienvenida salida de las técnicas de chips monolíticos convencionales y abrirán la puerta a una gran cantidad de dispositivos de Internet de las cosas innovadores y económicos que antes eran impensables. Tanto los fabricantes de equipos originales como las empresas de semiconductores no pueden sino beneficiarse de esto.
La tecnología chiplet tiene el potencial de transformar completamente una amplia gama de industrias, como la exploración espacial, donde los sistemas modulares y escalables son esenciales, las telecomunicaciones para redes 5G y la electrónica automotriz para sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS).
Dado que el escalado tradicional plantea desafíos a la industria de los semiconductores, los diseños basados en chiplets están surgiendo como una alternativa potente que podría impulsar la próxima generación de desarrollos tecnológicos. Con su flexibilidad incomparable, bajo costo y capacidad de personalizar la funcionalidad para satisfacer los requisitos individuales, los chiplets marcan un alejamiento dramático del enfoque tradicional del diseño electrónico. La habilidad y el deseo de los diseñadores e ingenieros de la industria de adoptar y desarrollar la tecnología de chiplets serán fundamentales para determinar la dirección de la electrónica a medida que nos acercamos a esta nueva realidad.
