Utilisation croissante des architectures basées sur des chipsets pour les appareils IoT. Les OEM/ODM de puces à semi-conducteurs adoptent des architectures basées sur des chipsets

Aperçu

Au sein de l'industrie dynamique des semi-conducteurs, il existe une tendance actuelle à abandonner les architectures de puces monolithiques conventionnelles et à se tourner vers des conceptions plus modulaires basées sur des puces. Ce changement implique plus qu’une simple modification des méthodes de production. Cela représente un progrès substantiel dans la manière dont le secteur électronique imagine, crée et distribue les composants électroniques qui alimentent la planète contemporaine. À l'ère de l'après-loi de Moore, les architectures basées sur des chipsets deviennent un catalyseur d'innovation et un moyen possible de soutenir le développement exponentiel des performances informatiques.

Chaque appareil Internet des objets (IoT) nécessite un ensemble différent de fonctionnalités, telles que la mémoire, la puissance de calcul, la technologie des capteurs et la connexion ; ainsi, développer ces fonctionnalités à l’aide du cycle de développement conventionnel de systèmes semi-conducteurs sur puce (SoC) est tout simplement trop coûteux et prend beaucoup de temps. En conséquence, de nombreux produits créatifs ne sont jamais commercialisés. Les puces monolithiques ont cependant une alternative, sous la forme de chipsets de silicium, qui peuvent être produits à un coût très bas et permettent le développement rapide de fonctionnalités sur mesure à l'aide de blocs de construction modulaires. Malgré les difficultés technologiques et commerciales uniques que présentent les chipsets, l’industrie des semi-conducteurs adopte sans aucun doute l’idée et crée des solutions pour faire progresser les architectures de chipsets.

Récemment, les solutions basées sur des chipsets sont apparues comme une technologie prometteuse pour étendre la loi de Moore à plusieurs principaux fournisseurs de semi-conducteurs et fournisseurs de cloud computing de l'industrie, tels qu'Intel, AMD, Broadcom et Amazon. Divers facteurs ont contribué à leur incroyable essor, notamment l'évitement d'une taille de matrice extrêmement grande pour des rendements plus élevés, la possibilité de diversifier les produits grâce à des techniques de mix-and-match pour des économies de coûts et la réutilisation, et l'encouragement de l'intégration hétérogène, qui implique l'intégration de chipsets provenant de divers nœuds de processus. pour l'optimisation des fonctions, des coûts et des performances.

Figure 1 : Intégration du chipset tout au long de la chaîne de valeur des semi-conducteurs

Source : Analyse DBMR

Facteurs influençant l’adoption du chiplet

• Complexité et spécialisation : Tous les secteurs, de l'analyse des mégadonnées à l'intelligence artificielle (IA) en passant par le calcul haute performance et l'Internet des objets (IoT), connaissent une augmentation de la demande de capacités de traitement de plus en plus sophistiquées et spécialisées. Afin de répondre à ce besoin, les architectures chiplet combinent des unités de traitement spécialisées optimisées pour des tâches particulières, créant ainsi des systèmes plus puissants et plus économes en énergie.
• La loi de Moore et ses inconvénients :La découverte selon laquelle le nombre de transistors d'une puce double environ tous les deux ans, ce qui entraîne des gains de performances constants, a longtemps servi de boussole à l'industrie. Cependant, en raison d’obstacles technologiques et financiers, le rythme de croissance ralentit, obligeant l’entreprise à rechercher d’autres moyens de se développer. Au lieu de dépendre uniquement de la loi de Moore pour maintenir les améliorations de performances grâce à des avancées architecturales, la technologie chiplet présente une approche attrayante.
• Flexibilité dans le processus de fabrication et la chaîne d'approvisionnement : Les chaînes d’approvisionnement internationales de semi-conducteurs sont de plus en plus sensibles aux perturbations dues à des événements imprévus tels que les pandémies, les différends commerciaux et les conflits géopolitiques. Les architectures Chiplet offrent des processus de production plus adaptables et plus robustes, ce qui contribue à atténuer certaines de ces préoccupations. Les fabricants peuvent atténuer les effets des perturbations localisées en produisant et en s’approvisionnant en chipsets auprès de diverses sources et régions, garantissant ainsi un approvisionnement plus régulier en composants essentiels.

Défis rencontrés lors de l'architecture et de l'intégration des chipsets

• Tests et fiabilité : Les tests deviennent plus compliqués lorsqu'il s'agit de garantir le fonctionnement et la fiabilité des systèmes basés sur des chipsets. Pour garantir que le package final de chiplets fonctionne comme prévu dans toutes les conditions, chaque chiplet et ses interconnexions doivent subir des tests approfondis pour répondre aux critères de qualité et de fiabilité.
• Conception et intégration : Bien que les chipsets présentent un grand potentiel, il reste un certain nombre de problèmes de conception et d’intégration à résoudre. Des technologies et des processus de connectivité complexes sont nécessaires pour rassembler différents composants afin de former un système cohérent. Afin de permettre aux chipsets d'interagir efficacement et d'imiter le plus fidèlement possible les performances d'une puce monolithique, ces interconnexions doivent avoir une bande passante élevée et une faible latence.
• Développement de l’écosystème et des standards : À mesure que la technologie des chipsets devient plus largement utilisée, un écosystème solide englobant des normes communes en matière de conception, de communication et d’intégration devra être établi. L’établissement de ces normes est essentiel pour garantir que les chipsets de différents fabricants puissent communiquer entre eux de manière cohérente. Cela favorisera l’innovation et réduira les coûts en utilisant des économies d’échelle.

Avantages de la technologie Chiplet

En comparant les architectures basées sur des chipsets aux systèmes sur puces (SoC) monolithiques conventionnels, plusieurs avantages sont évidents. Ces avantages incluent des fonctionnalités améliorées, une consommation d’énergie réduite et une liberté de conception accrue. Plusieurs experts prédisent que les chipsets spécialisés deviendront un élément commun dans les gadgets grand public à mesure que la technologie de pointe continue de progresser.

• Leur capacité à être facilement personnalisée et mise à niveau se traduit par des temps de développement plus courts et des coûts réduits.
• Les chipsets améliorent les performances en utilisant des composants de traitement uniques optimisés pour des tâches particulières
• La technologie Chiplet est connue pour sa flexibilité, qui permet aux producteurs de s'adapter rapidement aux conditions changeantes du marché et aux nouveaux développements technologiques.
• Étant donné que le flux latéral de données entre les puces informatiques représente plus de la moitié de leur consommation électrique, la construction de circuits à partir de chipsets a également un impact positif important sur l'environnement.
• Les chipsets réduisent considérablement le besoin de câblage complexe, de systèmes de refroidissement et de composants auxiliaires présents dans les conceptions de puces traditionnelles en combinant diverses fonctions en une seule unité.

Même si les chipsets conventionnels contrôlent désormais la majorité de la technologie informatique des appareils électroniques, il est clair que cette tendance est sur le point de changer à l’avenir. À mesure que la technologie de pointe progresse, les experts prédisent que les chipsets spécialisés deviendront largement utilisés.

L’intégration de chiplets hétérogènes constitue actuellement un marché en pleine expansion. AMD et Intel produisent tous deux des microprocesseurs en grande quantité qui incluent une technologie de packaging intégrée hétérogène et des conceptions de chipsets. La puce M1 Ultra d'Apple a été dévoilée en mars 2022. L'architecture Chiplet est utilisée dans cette puce, ce qui améliore les performances du Mac PC. Nous en sommes encore aux premières phases de développement et de fabrication de chiplets. Mais à mesure que les normes industrielles se solidifient, des modèles informatiques jusqu’alors impensables feront surface.

Le marché mondial des systèmes sur puce (SoC) a connu une croissance substantielle en raison de la demande croissante de SoC dans de multiples applications, notamment les appareils intelligents, les véhicules autonomes, les appareils médicaux portables et autres. À cela s’ajoute l’augmentation des investissements de différents organismes gouvernementaux dans la création d’installations de fabrication et de production qui complètent la croissance au cours de la période de prévision. Selon l’analyse de Data Bridge Market Research, le marché mondial des systèmes sur puce (SoC) devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 8,55 % de 2022 à 2029.

Pour en savoir plus sur l’étude, visitez :https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-system-on-chip-soc-market

Plusieurs opportunités et défis autour du marché de l’Internet des objets (IoT)

Figure 1 : Incorporation du chipset dans différents appareils IOT

Source : Analyse DBMR

Pour atteindre des performances de pointe, les investissements dans les semi-conducteurs se sont concentrés sur la miniaturisation des dispositifs ; cependant, ce n’est pas la meilleure approche pour les appareils Internet des objets. Dans le cadre de la poussée mondiale vers la transformation numérique, il est prévu que l’Internet des objets (IoT) révolutionnera les entreprises de toutes tailles avec l’introduction de la 5G et du cloud computing. Au cours des prochaines années au moins, on s’attend à ce que les dépenses mondiales consacrées à l’Internet des objets augmentent à des taux à deux chiffres.

L'IoT a un impact sur toutes les facettes de la société, y compris les entreprises, les gouvernements et les consommateurs. Des secteurs tels que la fabrication, les transports et les services publics investissent considérablement dans cette nouvelle technologie. De plus, les consommateurs stimuleront la demande d’appareils intelligents qui les tiendront informés de l’état de leur maison et de leur santé.

À mesure que de plus en plus de cas d’utilisation uniques émergent, le nombre croissant de cas d’utilisation de l’IoT offre un grand potentiel aux fabricants de semi-conducteurs qui fournissent les composants sous-jacents à base de silicium, ainsi qu’aux équipementiers cherchant à proposer des solutions de pointe. Mais pour rendre ces nouveaux cas d'utilisation possibles et faire progresser encore plus le marché, le prix des appareils IoT, et plus particulièrement des puces de silicium qui alimentent leur intelligence, doit baisser. L’objectif des investissements dans les semi-conducteurs au cours des 50 dernières années a été d’améliorer les performances des circuits intégrés des puces monolithiques uniques utilisées dans les applications hautes performances. En conséquence, la taille de chaque transistor individuel à l’intérieur des puces semi-conductrices n’a cessé de diminuer.

Les entreprises de la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs ont réinvesti dans des nœuds IoT plus anciens et mieux établis, mais il est peu probable que cette stratégie perdure. En réponse au marché de l'IoT, les fabricants de semi-conducteurs ont réalisé une deuxième vague d'investissements pour utiliser la même technique de système monolithique sur puce (SoC) afin de réutiliser les tailles de nœuds établies précédemment pour une utilisation dans les applications Internet des objets à signaux mixtes. Ceci est démontré par le fait que même avec l’introduction de nœuds de processus plus récents et plus petits, il existe toujours une demande importante de tranches avec des nœuds de plus grande taille. Les fabricants de semi-conducteurs dépensent des millions de dollars pour relever ce défi colossal : migrer les fonctionnalités analogiques du 55 nm et du 40 nm au 22 nm. La procédure de migration est plus difficile et plus coûteuse à mesure que les géométries deviennent plus petites.

Il a été constaté que l'industrie de l'IoT devrait connaître une croissance significative pour les entreprises technologiques au cours des dix prochaines années. Les fabricants de puces viseront à constituer un portefeuille de produits qui leur permettra de répondre à un large éventail d'utilisations potentielles dans divers secteurs. Cependant, étant donné l’architecture monolithique existante, qui présente des problèmes dans de nombreux domaines, y parvenir à un niveau de tarification adéquat sera extrêmement difficile en raison de la variété des cas d’utilisation de l’IoT.

Le marché mondial des solutions Internet des objets (IoT) connaît une croissance substantielle ces dernières années en raison du développement rapide de l’infrastructure 5g pour la connectivité à haut débit. À cela s’ajoute la montée des initiatives de villes intelligentes, l’adoption croissante du cloud et l’utilisation d’appareils davantage connectés qui complètent la croissance du marché global de l’IoT au cours de la période de prévision. Selon l’analyse de Data Bridge Market Research, le marché mondial des solutions Internet des objets (IoT) devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 29,30 % de 2022 à 2029.

Pour en savoir plus sur l’étude, visitez :https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-iot-solutions-market

Les chipsets aident à supprimer les barrières à l'entrée pour l'IoT

Les processeurs monolithiques ne constituent pas toujours le meilleur moyen de construire des appareils Internet des objets à signaux mixtes. L'utilisation d'architectures chiplets est une méthode alternative qui permet d'utiliser plusieurs chiplets sur un seul substrat ou dans un seul boîtier, chacun avec une taille de nœud de processus distincte. Par rapport à l'approche SoC, ces types d'architectures offrent un certain nombre d'avantages aux développeurs de produits IoT, notamment des coûts d'investissement et de production moindres ainsi qu'un coût de spécialisation inférieur. En dehors de cela, d’autres avantages incluent des délais de commercialisation plus courts, des risques d’approvisionnement réduits pour les équipementiers et un cloisonnement architectural plus simple.

• Coût des investissements et de la spécialisation réduits : La création d'un nouveau nœud de processus cible pour une famille de puces nécessite souvent une dépense financière importante ainsi qu'une planification minutieuse pour garantir un retour sur investissement (ROI) respectable. Le nœud de processus choisi ainsi que la taille et la complexité de la puce déterminent principalement l'investissement initial. Les architectures basées sur des chipsets, qui utilisent des blocs fonctionnels sur des nœuds de taille plus établie plutôt que de les construire sur des nœuds plus récents et plus petits, nécessiteraient beaucoup moins d'argent pour développer des fonctionnalités égales.

Les OEM n'ont qu'à créer les chipsets spécialisés nécessaires à leur application et à les intégrer aux chipsets disponibles dans le commerce pour la fonctionnalité standard. La stratégie des chipsets entraîne également une réduction des coûts de conception pour tout produit final donné.

• Point d'entrée plus rapide : Les chiplets permettent de commercialiser plus rapidement de nouveaux produits de deux manières, ce qui constitue un avantage commercial majeur :

Prototypage plus rapide : les constructeurs OEM et les sociétés de semi-conducteurs peuvent mélanger et assortir différents blocs de silicium, y compris des chipsets personnalisés, pour créer un produit d'essai destiné à des tests de marché rapides, au lieu d'avoir à investir massivement dans le développement d'une nouvelle puce monolithique et à s'assurer que tous les blocs fonctionnent correctement. la taille du nœud choisie

Mises à niveau plus simples : en ajoutant de nouvelles fonctionnalités à une puce sans la repenser complètement, des blocs fonctionnels provenant d'une « bibliothèque de silicium » de propriété intellectuelle (IP) tierce pourraient être sélectionnés, ce qui permettrait d'économiser du temps de test et de validation.

Ceci est particulièrement utile si certaines fonctionnalités évoluent plus rapidement que d’autres, comme c’est actuellement le cas avec les puces ML.

• Moins de coûts de production et un risque d’approvisionnement minimal pour les OEM : Une puce peut être envoyée vers une installation pour une production en série une fois que sa conception et ses performances ont été vérifiées. La stratégie des chiplets permet de réduire les coûts unitaires de production de la puce et, par conséquent, du produit fini, ainsi que le coût et la durée du transfert. Les topologies Chiplet, qui utilisent des nœuds de processus plus grands pour les composants analogiques, entraînent un nombre inférieur de modifications de conception, des rendements plus élevés et des procédures de fabrication plus faciles.

En permettant aux constructeurs OEM de s'approvisionner en blocs fonctionnels auprès de plusieurs fournisseurs au lieu d'un seul, les conceptions de chipsets contribuent à réduire les risques d'approvisionnement.

L'adoption des chiplets offrira un avenir radieux dans le futur

La variété croissante des applications possibles et peu coûteuses de l'Internet des objets stimule la croissance de l'approche chiplet. L’adaptabilité des chipsets, leur mise sur le marché rapide et leurs coûts de développement et de fabrication réduits montrent clairement qu’ils ont le potentiel d’alimenter la prochaine vague de solutions IoT innovantes et abordables. Grâce à ces conceptions, les fabricants d'équipement d'origine (OEM) peuvent intégrer sans effort des fonctionnalités numériques et analogiques de pointe dans leurs produits finaux, offrant ainsi une plus grande flexibilité de conception en plus de performances optimales. L’utilisation d’une stratégie de mix-and-match peut également entraîner une réduction des coûts de développement de ces éléments, car les fonctionnalités spéciales peuvent être créées sous forme de chiplets puis associées à des chiplets disponibles dans le commerce. Le processus rationalisé de développement et de transition vers la fabrication se traduit également par une amélioration significative des délais de mise sur le marché.

Les entreprises de semi-conducteurs peuvent également bénéficier de cette technique. Grâce aux chipsets, les entreprises de semi-conducteurs seront en mesure de réduire leur portefeuille, de réduire les coûts et les délais de développement et de proposer des produits plus optimaux pour une plus large gamme d'applications. Les progrès continus de l'industrie des semi-conducteurs en matière de packaging et d'interconnexions pour faciliter ces cas d'utilisation témoignent de cette volonté. Les technologies d'intégration continueront de se développer pour prendre en charge la gamme complète d'appareils IoT, depuis les capteurs de voiture autonomes extrêmement complexes compatibles ML (où les performances sont cruciales) jusqu'aux étiquettes intelligentes plus abordables pour les consommateurs.

Conclusion

Les chipsets constituent une avancée bienvenue par rapport aux techniques conventionnelles de puces monolithiques et ouvriront la porte à une pléthore de dispositifs Internet des objets innovants et peu coûteux qui étaient auparavant impensables. Les constructeurs OEM et les entreprises de semi-conducteurs ne peuvent qu’en bénéficier.

La technologie Chiplet a le potentiel de transformer complètement un large éventail d’industries, telles que l’exploration spatiale, où les systèmes modulaires et évolutifs sont essentiels, les télécommunications pour les réseaux 5G et l’électronique automobile pour les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS).

Alors que la mise à l’échelle traditionnelle pose des défis à l’industrie des semi-conducteurs, les conceptions basées sur des puces apparaissent comme une alternative puissante qui pourrait propulser la prochaine génération de développements technologiques. Avec leur flexibilité inégalée, leur faible coût et leur capacité à personnaliser les fonctionnalités pour répondre aux exigences individuelles, les chipsets marquent une rupture radicale avec l'approche traditionnelle de la conception électronique. La compétence et le désir des concepteurs et des ingénieurs de l’industrie d’adopter et de développer la technologie des puces seront essentiels pour déterminer l’orientation de l’électronique à l’approche de cette nouvelle réalité.