IoTデバイス向けチップレットベースアーキテクチャの利用が増加。半導体チップOEM/ODMはチップレットベースアーキテクチャを採用している

概要

ダイナミックな半導体業界では、従来のモノリシック チップ アーキテクチャから、よりモジュール化されたチップレット ベースの設計へと移行する傾向が現在見られます。この移行は、単なる製造方法の変更以上の意味を持ちます。これは、エレクトロニクス部門が現代の地球を動かす電子部品を構想、作成、配布する方法の大幅な進歩を意味します。ムーアの法則後の時代において、チップレット ベースのアーキテクチャは、イノベーションの触媒となり、コンピューティング パフォーマンスの飛躍的な発展を維持できる可能性のある方法になりつつあります。

あらゆるモノのインターネット (IoT) デバイスには、メモリ、コンピューティング能力、センサー技術、接続など、さまざまな機能が必要です。そのため、従来の半導体システム オン チップ (SoC) 開発サイクルを使用してこれらの機能を開発するのは、コストがかかりすぎ、時間がかかります。その結果、多くの独創的な製品がリリースされることはありません。ただし、モノリシック チップには、シリコン チップレットという代替手段があります。これは、非常に安価なコストで製造でき、モジュール式のビルディング ブロックを使用してカスタマイズされた機能を迅速に開発できます。チップレットには独自の技術的および商業的な困難がありますが、半導体業界は間違いなくこのアイデアを採用し、チップレット アーキテクチャを進化させるソリューションを生み出しています。

最近、チップレットベースのソリューションは、Intel、AMD、Broadcom、Amazon など、業界の大手半導体ベンダーやクラウド プロバイダーの間でムーアの法則を拡張する有望なテクノロジーとして注目されています。チップレットベースのソリューションが驚異的な成長を遂げた背景には、ダイ サイズを極端に大きくせずに歩留まりを向上させること、ミックス アンド マッチ技術による製品の多様化でコスト削減と再利用を可能にすること、さまざまなプロセス ノードのチップレットを統合して機能、コスト、パフォーマンスを最適化する異種統合を推進することなど、さまざまな要因があります。

図1: 半導体バリューチェーン全体にわたるチップセットの統合

出典: DBMR分析

チップレットの採用に影響を与える要因

• 複雑さと専門性: ビッグデータ分析や人工知能（AI）から高性能コンピューティングやモノのインターネット（IoT）まで、あらゆる業界で、ますます高度で特殊な処理能力に対する需要が急増しています。このニーズを満たすために、チップレットアーキテクチャは、特定のタスクに最適化された特殊な処理ユニットを組み合わせて、より強力でエネルギー効率の高いシステムを作成します。
• ムーアの法則とその欠点:チップのトランジスタ数はおよそ2年ごとに倍増し、一貫してパフォーマンスが向上するという発見は、長い間業界の指針となってきました。しかし、技術的および財政的な障害により、スケーリングの速度は鈍化し、ビジネスは拡大するための他の方法を探さざるを得なくなりました。アーキテクチャのブレークスルーを通じてパフォーマンスの向上を維持するためにムーアの法則だけに頼る代わりに、チップレット技術は魅力的なアプローチを提供します。
• 製造プロセスとサプライチェーンの柔軟性: 国際的な半導体サプライ チェーンは、パンデミック、貿易紛争、地政学的紛争などの予期せぬ出来事による混乱の影響を受けやすくなっています。チップレット アーキテクチャは、より適応性が高く堅牢な製造プロセスを提供し、これらの懸念の一部を軽減するのに役立ちます。メーカーは、さまざまなソースと地域からチップレットを製造および調達することで、局所的な混乱の影響を軽減し、重要なコンポーネントのより安定した供給を確保できます。

チップレットアーキテクチャと統合中に直面する課題

• テストと信頼性: チップレットベースのシステムの動作と信頼性を確認する場合、テストはより複雑になります。完成したチップレットパッケージがあらゆる条件下で意図したとおりに機能することを保証するには、各チップレットとその相互接続が品質と信頼性の基準を満たすために広範囲にわたるテストを受ける必要があります。
• 設計と統合: チップレットは大きな可能性を秘めていますが、解決すべき設計と統合の問題が数多くあります。さまざまなコンポーネントを統合して一貫性のあるシステムを形成するには、複雑な接続技術とプロセスが必要です。チップレットが効率的に相互作用し、モノリシックチップのパフォーマンスを可能な限り模倣できるようにするには、これらの相互接続に高帯域幅と低レイテンシが必要です。
• エコシステムと標準の開発: チップレット技術が広く使用されるようになると、設計、通信、統合の共通標準を含む強力なエコシステムを確立する必要があります。これらの標準を確立することは、さまざまなメーカーのチップレットが一貫して相互に通信できるようにするために不可欠です。これにより、規模の経済を活用してイノベーションが促進され、コストが削減されます。

チップレット技術の利点

チップレットベースのアーキテクチャを従来のモノリシック システム オン チップ (SoC) と比較すると、いくつかの利点が明らかになります。これらの利点には、機能の向上、消費電力の低減、設計の自由度の向上などがあります。最先端のテクノロジーが進歩し続けるにつれて、専用のチップレットが消費者向けガジェットの一般的な要素になると、多くの専門家が予測しています。

• 簡単にカスタマイズやアップグレードができるため、開発期間が短縮され、コストも削減されます。
• チップレットは、特定のタスクに最適化された独自の処理コンポーネントを利用してパフォーマンスを向上させます。
• チップレット技術は柔軟性が高く、生産者は変化する市場状況や新しい技術開発に迅速に適応できることで知られています。
• コンピュータチップ間のデータの横方向の流れは消費電力の半分以上を占めるため、チップレットから回路を構築することは環境にも大きなプラスの影響を与えます。
• チップレットは、さまざまな機能を1つのユニットに統合することで、従来のチップ設計に存在する複雑な配線、冷却システム、補助部品の必要性を大幅に削減します。

現在、従来のチップセットが電子機器のコンピューター技術の大部分を担っていますが、この傾向が将来的に変化することは明らかです。最先端の技術が進歩するにつれ、専用のチップレットが広く使用されるようになると専門家は予測しています。

異種チップレット統合は現在、急速に拡大している市場です。AMD と Intel はどちらも、異種統合パッケージング技術とチップレット設計を含むマイクロプロセッサを大量生産しています。Apple の M1 Ultra チップは 2022 年 3 月に発表されました。このチップにはチップレット アーキテクチャが使用されており、Mac PC のパフォーマンスが向上します。チップレットの開発と製造はまだ初期段階にありますが、業界標準が固まるにつれて、これまで考えられなかったコンピューティング モデルが登場するでしょう。

世界のシステムオンチップ（SoC）市場は、スマートデバイス、自律走行車、ポータブル医療機器など、複数のアプリケーションにおけるSoCの需要増加により、大幅な成長を遂げています。これに加えて、さまざまな政府機関による製造および生産施設の設立に向けた投資の増加が、予測期間の成長を補完しています。データブリッジマーケットリサーチの分析によると、世界のシステムオンチップ（SoC）市場は、2022年から2029年にかけて8.55％の複合年間成長率（CAGR）で成長すると予測されています。

この研究の詳細については、以下をご覧ください。https://www.databridgemarketresearch.com/jp/reports/global-system-on-chip-soc-market

モノのインターネット（IoT）市場におけるいくつかの機会と課題

図1: さまざまなIoTデバイスへのチップセットの組み込み

出典: DBMR分析

最先端のパフォーマンスを実現するために、半導体投資はデバイスの小型化に集中してきましたが、これは IoT デバイスにとって最適なアプローチではありません。デジタル変革に向けた世界的な取り組みの一環として、5G とクラウド コンピューティングの導入により、IoT (モノのインターネット) があらゆる規模の企業に革命をもたらすことが予想されています。少なくとも今後数年間は、IoT への世界的な支出が 2 桁の割合で増加すると予想されています。

IoT は、企業、政府、消費者など、社会のあらゆる側面に影響を与えます。製造、輸送、公共事業などの業界は、この新しいテクノロジーに多額の投資を行っています。さらに、消費者は、自宅や健康に関する最新情報を提供してくれるスマート デバイスの需要を牽引するでしょう。

独自のユースケースが次々と出現するにつれ、IoT ユースケースの増加は、基盤となるシリコンベースのコンポーネントを供給する半導体メーカーや、最先端のソリューションを提供したい OEM にとって大きな可能性を秘めています。しかし、これらの新しいユースケースを実現し、市場をさらに発展させるには、IoT デバイスの価格、特にそのインテリジェンスを支えるシリコン チップの価格を下げる必要があります。過去 50 年間の半導体投資の目標は、高性能アプリケーションで使用される単一のモノリシック チップの集積回路のパフォーマンスを向上させることでした。その結果、半導体チップ内の個々のトランジスタのサイズは継続的に縮小しています。

半導体サプライチェーンの企業は、より古く、より確立された IoT ノードに再投資してきましたが、この戦略が長続きする可能性は低いです。 IoT 市場への対応として、半導体メーカーは、同じモノリシック システム オン チップ (SoC) 技術を採用して、ミックスドシグナル IoT アプリケーションでの使用のために、以前の確立されたノード サイズを再利用するための第 2 波の投資を行いました。 これは、より新しく、より小さなプロセス ノードが導入されても、より大きなノード サイズのウェーハに対する需要が依然として大きいという事実によって実証されています。 半導体企業は、アナログ機能を 55 nm および 40 nm から 22 nm に移行するというこの大規模な課題に数百万ドルを費やしています。 移行手順は、形状が小さくなるにつれて困難で高価になります。

IoT 業界は今後 10 年間でテクノロジー企業にとって大きな成長が見込まれており、チップメーカーはさまざまな分野での幅広い潜在的用途に対応できる製品ポートフォリオの構築を目指しています。しかし、さまざまな側面で問題を抱える既存のモノリシック アーキテクチャを考えると、IoT のユースケースが多様であるため、これを適切な価格で実現するのは非常に困難です。

近年、高速接続のための 5G インフラストラクチャの急速な発展により、世界のモノのインターネット (IoT) ソリューション市場は大幅な成長を遂げています。これに加えて、スマート シティ イニシアチブの増加、クラウドの採用の増加、接続されたデバイスの利用の増加が、予測期間中の IoT 市場全体の成長を補完します。データ ブリッジ マーケット リサーチの分析によると、世界のモノのインターネット (IoT) ソリューション市場は、2022 年から 2029 年にかけて 29.30% の複合年間成長率 (CAGR) で成長すると予測されています。

この研究の詳細については、以下をご覧ください。https://www.databridgemarketresearch.com/jp/reports/global-iot-solutions-market

チップレットはIoTへの参入障壁を取り除くのに役立つ

モノリシック プロセッサは、ミックスド シグナル IoT デバイスを構築するのに必ずしも最適な方法ではありません。チップレット アーキテクチャの使用は、それぞれが異なるプロセス ノード サイズを持つ複数のチップレットを単一の基板または単一のパッケージで使用できる代替方法です。SoC アプローチと比較すると、これらの種類のアーキテクチャは、投資と製造コストの削減、特殊化コストの削減など、IoT 製品開発者に多くの利点をもたらします。これ以外にも、市場投入までの時間の短縮、OEM の供給リスクの低減、アーキテクチャの分割の簡素化などのメリットがあります。

• 投資コストの低減と専門化: チップ ファミリの新しいターゲット プロセス ノードを作成するには、多くの場合、多額の費用と、十分な投資収益率 (ROI) を確保するための慎重な計画が必要です。選択したプロセス ノードとチップのサイズおよび複雑さの両方が、主に初期投資を決定します。新しい小型ノード上に機能ブロックを構築するのではなく、より確立されたノード サイズの機能ブロックを使用するチップレット ベースのアーキテクチャでは、同等の機能を開発するのに必要な費用ははるかに少なくなります。

OEM は、アプリケーションに必要な特殊なチップレットを作成し、それを市販のチップレットと統合して標準機能を実現するだけで済みます。チップレット戦略により、特定の最終製品の設計コストも削減されます。

• より高速なエントリポイント: チップレットは、2 つの方法で新製品の市場投入までの時間を短縮し、大きな商業的メリットをもたらします。

より迅速なプロトタイピング: OEM や半導体企業は、新しいモノリシック チップの開発に多額の投資をしたり、選択したノード サイズですべてのブロックが正しく動作することを確認したりする必要がなくなり、カスタム チップレットを含むさまざまなシリコン ブロックを組み合わせて試作品を作成し、迅速に市場テストを行うことができます。

より簡単なアップグレード: チップを完全に再設計せずに新しい機能を追加することで、サードパーティの知的財産 (IP) の「シリコン ライブラリ」から機能ブロックを選択でき、テストと検証の時間を節約できます。

これは、現在の ML チップの場合のように、一部の機能が他の機能よりも急速に進化している場合に特に役立ちます。

• OEM の生産コスト削減と供給リスクの最小化: チップは、設計と性能が検証されると、大量生産のために施設に送られます。チップレット戦略により、チップの単位生産コストと、その結果として完成品のコストが下がり、転送コストと期間も短縮されます。アナログ部品に大規模なプロセスノードを使用するチップレットトポロジーにより、設計変更の回数が減り、歩留まりが向上し、製造手順が簡単になります。

OEM が機能ブロックを 1 つのサプライヤーではなく複数のサプライヤーから調達できるようにすることで、チップレット設計は供給リスクの低減に役立ちます。

チップレットの採用は将来に輝かしい未来をもたらすだろう

低コストの IoT アプリケーションの可能性がますます多様化していることが、チップレット アプローチの成長を牽引しています。チップレットの適応性、市場投入までの時間の短さ、開発および製造コストの低さは、チップレットが革新的で手頃な IoT ソリューションの次の波を牽引する可能性を秘めていることを明確に示しています。これらの設計の助けを借りて、OEM は、最先端のデジタル機能とアナログ機能を最終製品に簡単に統合し、最適なパフォーマンスに加えて設計の柔軟性を高めることができます。ミックス アンド マッチ戦略を使用すると、特別な機能をチップレットとして作成し、その後市販のチップレットと組み合わせることができるため、これらのアイテムの開発コストも削減できます。開発と製造への移行の合理化されたプロセスにより、市場投入までの時間も大幅に短縮されます。

半導体企業もこの技術の恩恵を受けることができます。チップレットにより、半導体企業はポートフォリオを小さく保ち、開発コストと期間を削減し、より幅広いアプリケーションに最適な製品を提供できるようになります。これらのユースケースを容易にするためのパッケージングと相互接続における半導体業界の継続的な進歩は、この願望の証拠です。統合技術は、パフォーマンスが極めて重要な極めて複雑な ML 対応の自動運転車センサーから、消費者向けのより手頃な価格のスマート タグまで、あらゆる IoT デバイスをサポートするために進化し続けます。

結論

チップレットは、従来のモノリシック チップ技術からの脱却として歓迎すべきものであり、これまでは考えられなかった革新的で安価な IoT デバイスを数多く生み出す可能性が開かれます。OEM と半導体企業の両方が、この恩恵を受けることができます。

チップレット技術は、モジュール式でスケーラブルなシステムが不可欠な宇宙探査、5Gネットワ​​ーク向けの通信、先進運転支援システム（ADAS）向けの自動車用電子機器など、幅広い業界を完全に変革する可能性を秘めています。

従来のスケーリングが半導体業界に課題を突きつける中、チップレットベースの設計は、次世代の技術開発を推進できる強力な代替手段として浮上しています。比類のない柔軟性、低コスト、個々の要件を満たすように機能をカスタマイズする能力を備えたチップレットは、従来の電子設計アプローチからの劇的な脱却を示しています。この新しい現実に近づくにつれて、チップレット技術を採用して開発する業界の設計者とエンジニアのスキルと意欲は、電子機器の方向性を決定する上で重要になります。