Visão geral
Dentro da indústria dinâmica de semicondutores, há uma tendência atual de abandono das arquiteturas convencionais de chips monolíticos e de projetos mais modulares baseados em chips. Esta mudança envolve mais do que apenas uma modificação nos métodos de produção. Significa um avanço substancial na forma como o setor eletrónico imagina, cria e distribui as peças eletrónicas que alimentam o planeta contemporâneo. Na era pós-Lei de Moore, as arquiteturas baseadas em chips estão se tornando um catalisador para a inovação e uma forma possível de sustentar o desenvolvimento exponencial no desempenho da computação.
Cada dispositivo da Internet das Coisas (IoT) precisa de um conjunto diferente de recursos, como memória, capacidade de computação, tecnologia de sensores e conexão; portanto, desenvolver esses recursos usando o ciclo de desenvolvimento de sistema semicondutor convencional em um chip (SoC) é muito caro e demorado. Como resultado, muitos produtos criativos nunca são lançados. No entanto, os chips monolíticos têm uma alternativa na forma de chips de silício, que podem ser produzidos a um custo muito barato e permitem o rápido desenvolvimento de funcionalidades personalizadas usando blocos de construção modulares. Apesar das dificuldades tecnológicas e comerciais únicas que os chips apresentam, a indústria de semicondutores está, sem dúvida, abraçando a ideia e criando soluções para avançar nas arquiteturas dos chips.
Recentemente, soluções baseadas em chips tornaram-se aparentes como uma tecnologia promissora para estender a lei de Moore a vários fornecedores proeminentes de semicondutores e provedores de nuvem da indústria, como Intel, AMD, Broadcom e Amazon. Uma variedade de factores contribuíram para o seu incrível aumento, incluindo evitar tamanhos de matrizes extremamente grandes para rendimentos mais elevados, permitir a diversificação de produtos através de técnicas de mistura e combinação para poupança de custos e reutilização, e encorajar a integração heterogénea, que envolve a integração de chips de vários nós de processo. para otimização de função, custo e desempenho.
Figura 1: Integração do Chipset em toda a Cadeia de Valor de Semicondutores
Fonte: Análise DBMR
Fatores que influenciam a adoção do Chiplet
- Complexidade e Especialização: Todos os setores, desde a análise de big data e a inteligência artificial (IA) até à computação de alto desempenho e à Internet das Coisas (IoT), estão a registar um aumento na procura de capacidades de processamento cada vez mais sofisticadas e especializadas. Para atender a essa necessidade, as arquiteturas de chips combinam unidades de processamento especializadas otimizadas para tarefas específicas, criando sistemas mais potentes e com maior eficiência energética.
- Lei de Moore e suas desvantagens:A descoberta de que a contagem de transistores de um chip dobra aproximadamente a cada dois anos, resultando em ganhos consistentes de desempenho, serviu por muito tempo como bússola da indústria. No entanto, como resultado de obstáculos tecnológicos e financeiros, o ritmo de expansão abranda, forçando a empresa a procurar outras formas de expansão. Como alternativa a depender apenas da Lei de Moore para manter melhorias de desempenho através de inovações arquitetônicas, a tecnologia de chips apresenta uma abordagem atraente
- Flexibilidade no Processo de Fabricação e Cadeia de Suprimentos: As cadeias de abastecimento internacionais de semicondutores estão a tornar-se mais susceptíveis a perturbações causadas por acontecimentos imprevistos, como pandemias, disputas comerciais e conflitos geopolíticos. As arquiteturas de chips fornecem processos de produção mais adaptáveis e robustos, o que ajuda a mitigar algumas dessas preocupações. Os fabricantes podem diminuir os efeitos das interrupções localizadas produzindo e adquirindo chips de diversas fontes e regiões, garantindo um fornecimento mais constante de componentes essenciais.
Desafios enfrentados durante a arquitetura e integração do chiplet
- Teste e confiabilidade: Os testes se tornam mais complicados quando se trata de garantir que os sistemas baseados em chips operem e sejam confiáveis. Para garantir que o pacote final de chips completo funcione conforme pretendido em todas as condições, cada chip e suas interconexões devem passar por testes extensivos para atender aos critérios de qualidade e confiabilidade.
- Projeto e Integração: Embora os chips tenham um grande potencial, há uma série de questões de design e integração a serem resolvidas. São necessários processos e tecnologias de conectividade complexos para reunir diferentes componentes e formar um sistema coerente. Para permitir que os chips interajam de forma eficiente e imitem o desempenho de um chip monolítico o mais próximo possível, essas interconexões precisam ter alta largura de banda e baixa latência.
- Desenvolvimento do Ecossistema e Padrões: À medida que a tecnologia de chips se torna mais amplamente utilizada, será necessário estabelecer um ecossistema forte que abranja padrões comuns de design, comunicação e integração. O estabelecimento destes padrões é essencial para garantir que os chips de vários fabricantes possam comunicar uns com os outros de forma consistente. Isto promoverá a inovação e reduzirá os custos através da utilização de economias de escala
Vantagens da tecnologia de chips
Comparando arquiteturas baseadas em chips com System-on-Chips (SoCs) monolíticos convencionais, vários benefícios são aparentes. Esses benefícios incluem funcionalidade aprimorada, menor consumo de energia e maior liberdade de design. Vários especialistas prevêem que chips especializados se tornarão um elemento comum em dispositivos de consumo à medida que a tecnologia de ponta continua a progredir.
- Sua capacidade de ser facilmente customizada e atualizada resulta em tempos de desenvolvimento mais curtos e custos mais baixos
- Os chips melhoram o desempenho utilizando componentes de processamento exclusivos otimizados para tarefas específicas
- A tecnologia de chips é conhecida pela sua flexibilidade, que permite aos produtores ajustarem-se rapidamente às mudanças nas condições do mercado e aos novos desenvolvimentos tecnológicos
- Como o fluxo lateral de dados entre chips de computador é responsável por mais da metade do consumo de energia, a construção de circuitos a partir de chips também tem um grande impacto positivo no meio ambiente.
- Os chips reduzem bastante a necessidade de fiação complexa, sistemas de refrigeração e componentes auxiliares presentes em designs de chips tradicionais, combinando várias funções em uma única unidade
Embora os chipsets convencionais controlem agora a maior parte da tecnologia informática em dispositivos electrónicos, é claro que esta tendência está prestes a mudar no futuro. À medida que a tecnologia de ponta avança, os especialistas prevêem que os chips especializados serão amplamente utilizados.
A integração heterogênea de chips é atualmente um mercado em rápida expansão. Tanto a AMD quanto a Intel estão produzindo microprocessadores em grandes quantidades que incluem tecnologia de empacotamento integrada heterogênea e designs de chips. O chip M1 Ultra da Apple foi lançado em março de 2022. Este chip usa arquitetura de chip, o que melhora o desempenho do Mac PC. Ainda estamos nas fases iniciais de desenvolvimento e fabricação de chips. Mas à medida que os padrões da indústria se solidificarem, surgirão modelos de computação até então impensáveis.
O mercado global de System-on-Chip (SoC) testemunhou um crescimento substancial devido à crescente demanda de SoC em múltiplas aplicações, incluindo dispositivos inteligentes, veículos autônomos, dispositivos médicos portáteis e outros. Somando-se a isso, o aumento do investimento por parte de diferentes órgãos governamentais na criação de instalações de manufatura e produção complementa o crescimento no período de previsão. De acordo com a análise da Data Bridge Market Research, o mercado global de System-on-Chip (SoC) deverá crescer a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 8,55% de 2022-2029.
Para saber mais sobre o estudo, acesse:https://www.databridgemarketresearch.com/pt/reports/global-system-on-chip-soc-market
Diversas oportunidades e desafios em torno do mercado de Internet das Coisas (IoT)
Figura 1: Incorporação de Chipset em diferentes dispositivos IOT
Fonte: Análise DBMR
Para alcançar desempenho de ponta, o investimento em semicondutores concentrou-se na miniaturização de dispositivos; no entanto, esta não é a melhor abordagem para dispositivos da Internet das Coisas. Como parte do impulso mundial em direção à transformação digital, previu-se que a Internet das Coisas (IoT) revolucionará as empresas de todos os tamanhos com a introdução do 5G e da computação em nuvem. Pelo menos durante os próximos anos, prevê-se que os gastos globais com a Internet das Coisas aumentem a taxas de dois dígitos.
A IoT tem impacto em todas as facetas da sociedade, incluindo empresas, governo e consumidores. Indústrias como manufatura, transporte e serviços públicos estão fazendo investimentos significativos nesta nova tecnologia. Além disso, os consumidores impulsionarão a procura por dispositivos inteligentes que os mantenham atualizados sobre a sua casa e saúde.
À medida que surgem cada vez mais casos de uso exclusivos, o número crescente de casos de uso de IoT oferece um grande potencial para fabricantes de semicondutores que fornecem os componentes subjacentes à base de silício, bem como para OEMs que buscam oferecer soluções de ponta. Mas para tornar possíveis esses novos casos de uso e avançar ainda mais o mercado, o preço dos dispositivos IoT – e especialmente, dos chips de silício que alimentam sua inteligência – deve cair. O objetivo do investimento em semicondutores nos últimos 50 anos tem sido melhorar o desempenho do circuito integrado de chips monolíticos únicos usados em aplicações de alto desempenho. Como resultado, o tamanho de cada transistor individual dentro dos chips semicondutores tem diminuído continuamente.
As empresas da cadeia de abastecimento de semicondutores reinvestiram em nós IoT que são mais antigos e mais bem estabelecidos, mas é pouco provável que esta estratégia dure. Em resposta ao mercado de IoT, os fabricantes de semicondutores fizeram uma segunda onda de investimentos para empregar a mesma técnica de sistema monolítico em um chip (SoC) para reutilizar tamanhos de nós estabelecidos anteriormente para uso em aplicações de Internet das Coisas de sinais mistos. Isto é demonstrado pelo fato de que mesmo com a introdução de nós de processo menores e mais novos, ainda há uma demanda significativa por wafers em nós de tamanhos maiores. As empresas de semicondutores estão gastando milhões de dólares neste enorme desafio de migrar a funcionalidade analógica de 55 nm e 40 nm para 22 nm. O procedimento de migração é mais difícil e caro à medida que as geometrias se tornam menores.
Foi testemunhado que a indústria da IoT deverá crescer significativamente para as empresas de tecnologia nos próximos dez anos. Os fabricantes de chips terão como objetivo construir um portfólio de produtos que lhes permita atender a uma ampla gama de usos potenciais em diversos setores. No entanto, dada a arquitetura monolítica existente, que apresenta problemas em diversas dimensões, conseguir isso com um preço adequado será extremamente desafiador devido à variedade de casos de uso da IoT.
O mercado global de soluções de Internet das Coisas (IoT) está testemunhando um crescimento substancial nos últimos anos devido ao rápido desenvolvimento da infraestrutura 5g para conectividade de alta velocidade. Somando-se a isso, o aumento das iniciativas de cidades inteligentes, o aumento da adoção da nuvem e a utilização de mais dispositivos conectados complementam o crescimento do mercado geral de IoT no período de previsão. De acordo com a análise da Data Bridge Market Research, o mercado global de soluções de Internet das Coisas (IoT) deverá crescer a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 29,30% de 2022-2029.
Para saber mais sobre o estudo, acesse:https://www.databridgemarketresearch.com/pt/reports/global-iot-solutions-market
Chiplets atuam como uma ajuda na remoção das barreiras de entrada para IoT
Processadores monolíticos nem sempre são a melhor maneira de construir dispositivos de Internet das Coisas com sinais mistos. O uso de arquiteturas de chips é um método alternativo que permite o uso de vários chips em um único substrato ou em um único pacote, cada um com um tamanho de nó de processo distinto. Em comparação com a abordagem SoC, estes tipos de arquiteturas oferecem uma série de vantagens aos desenvolvedores de produtos IoT, incluindo menores custos de investimento e produção com menor custo de especialização. Além disso, outros benefícios incluem menor tempo de lançamento no mercado, menores riscos de fornecimento para OEMs e particionamento arquitetônico mais simples.
- Menor custo de investimentos e especialização: A criação de um novo nó de processo alvo para uma família de chips frequentemente exige um desembolso financeiro substancial, bem como um planejamento cuidadoso para garantir um retorno sobre o investimento (ROI) respeitável. Tanto o nó de processo escolhido quanto o tamanho e a complexidade do chip determinam principalmente o investimento inicial. Arquiteturas baseadas em chips, que usam blocos funcionais em tamanhos de nós mais estabelecidos, em vez de construí-los em nós mais novos e menores, exigiriam muito menos dinheiro para desenvolver funcionalidades iguais.
Os OEMs só precisam criar os chips especializados necessários para sua aplicação e integrá-los aos chips disponíveis comercialmente para a funcionalidade padrão. A estratégia dos chips também resulta em custos de design mais baixos para qualquer produto final.
- Ponto de entrada mais rápido: Os chips proporcionam um tempo mais rápido para comercializar novos produtos de duas maneiras, o que é um grande benefício comercial:
Prototipagem mais rápida: OEMs e empresas de semicondutores podem misturar e combinar diferentes blocos de silício, incluindo chips personalizados, para criar um produto experimental para testes rápidos de mercado, em vez de precisar investir pesadamente no desenvolvimento de um novo chip monolítico e garantir que todos os blocos funcionem corretamente. o tamanho do nó escolhido
Atualizações mais simples: Ao adicionar novas funcionalidades a um chip sem redesenhá-lo completamente, blocos funcionais de uma “biblioteca de silício” de propriedade intelectual (IP) de terceiros poderiam ser selecionados, economizando tempo de teste e validação.
Isso é especialmente útil se alguns recursos estão evoluindo mais rapidamente do que outros, como é o caso dos chips de ML atualmente.
- Menos custos de produção e risco mínimo de fornecimento para OEMs: Um chip pode ser enviado para uma instalação para produção em massa assim que seu design e desempenho forem verificados. A estratégia dos chips pode reduzir os custos unitários de produção do chip e, consequentemente, do produto acabado, bem como o custo e a duração da transferência. As topologias de chiplet, que utilizam nós de processo maiores para os componentes analógicos, resultam em um menor número de modificações de projeto, maiores rendimentos e procedimentos de fabricação mais fáceis.
Ao permitir que os OEMs obtenham seus blocos funcionais de vários fornecedores em vez de apenas um, os designs de chips ajudam a reduzir o risco de fornecimento.
A adoção dos Chiplets apresentará um futuro brilhante no futuro
A crescente variedade de possíveis aplicações de baixo custo para a Internet das Coisas está impulsionando o crescimento da abordagem de chips. A adaptabilidade dos chips, o rápido lançamento no mercado e os menores custos de desenvolvimento e fabricação tornam evidente que eles têm o potencial de impulsionar a próxima onda de soluções IoT inovadoras e acessíveis. Com a ajuda destes designs, os fabricantes de equipamento original (OEM) podem integrar facilmente funcionalidades digitais e analógicas de ponta nos seus produtos finais, oferecendo maior flexibilidade de design, além de um desempenho ideal. O uso de uma estratégia mix-and-match também pode resultar em menores custos de desenvolvimento para esses itens porque os recursos especiais podem ser criados como chips e posteriormente combinados com chips disponíveis comercialmente. O processo simplificado de desenvolvimento e transição para a fabricação também resulta em uma melhoria significativa no tempo de lançamento no mercado.
As empresas de semicondutores também podem se beneficiar dessa técnica. Com os chips, as empresas de semicondutores poderão manter seus portfólios menores, reduzir custos e prazos de desenvolvimento e oferecer produtos mais otimizados para uma gama mais ampla de aplicações. O progresso contínuo da indústria de semicondutores em embalagens e interconexões para facilitar esses casos de uso é uma prova desse desejo. As tecnologias de integração continuarão a desenvolver-se para suportar toda a gama de dispositivos IoT, desde sensores de automóveis autónomos extremamente complexos habilitados para ML – onde o desempenho é crucial – até etiquetas inteligentes mais acessíveis para uso do consumidor.
Conclusão
Os chips são um afastamento bem-vindo das técnicas convencionais de chips monolíticos e abrirão as portas para uma infinidade de dispositivos inovadores e baratos da Internet das Coisas que antes eram impensáveis. Tanto os OEMs quanto as empresas de semicondutores só podem se beneficiar com isso.
A tecnologia de chips tem potencial para transformar completamente uma ampla gama de indústrias, como a exploração espacial, onde sistemas modulares e escaláveis são essenciais, as telecomunicações para redes 5G e a eletrónica automóvel para sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS).
Com a escala tradicional a colocar desafios à indústria de semicondutores, os designs baseados em chips estão a emergir como uma alternativa potente que poderá impulsionar a próxima geração de desenvolvimentos tecnológicos. Com sua flexibilidade incomparável, baixo custo e capacidade de personalizar funcionalidades para atender às necessidades individuais, os chips marcam um afastamento dramático da abordagem tradicional do design eletrônico. A habilidade e o desejo dos designers e engenheiros da indústria de adotar e desenvolver a tecnologia de chips serão críticos para determinar a direção da eletrônica à medida que nos aproximamos desta nova realidade.
