Растущее использование архитектур на базе чиплетов для устройств Интернета вещей. OEM-производители/ODM-производители полупроводниковых чипов внедряют архитектуры на основе чиплетов

Обзор

В динамично развивающейся полупроводниковой промышленности в настоящее время наблюдается тенденция отхода от традиционных монолитных архитектур микросхем к более модульным конструкциям на основе микросхем. Этот сдвиг предполагает нечто большее, чем просто изменение методов производства. Это означает существенный прогресс в том, как сектор электроники представляет, создает и распространяет электронные компоненты, которые питают современную планету. В эпоху после принятия закона Мура архитектуры на базе чиплетов становятся катализатором инноваций и возможным способом поддержания экспоненциального развития вычислительной производительности.

Каждому устройству Интернета вещей (IoT) требуется свой набор функций, таких как память, вычислительная мощность, сенсорная технология и подключение; таким образом, разработка этих функций с использованием традиционного цикла разработки полупроводниковой системы на кристалле (SoC) является слишком дорогостоящей и отнимает много времени. В результате многие творческие товары так и не выпускаются. Однако у монолитных чипов есть альтернатива в виде кремниевых чиплетов, которые можно производить по очень низкой цене и обеспечить быструю разработку индивидуальной функциональности с использованием модульных строительных блоков. Несмотря на уникальные технологические и коммерческие трудности, которые создают чиплеты, полупроводниковая промышленность, несомненно, принимает эту идею и создает решения для развития архитектуры чиплетов.

В последнее время решения на основе чиплетов стали очевидными как многообещающая технология, позволяющая распространить закон Мура на нескольких известных производителей полупроводников и облачных провайдеров, таких как Intel, AMD, Broadcom и Amazon. Их невероятному росту способствовало множество факторов, в том числе отказ от чрезвычайно большого размера кристалла для повышения производительности, обеспечение диверсификации продукции за счет методов смешивания и сопоставления для экономии затрат и повторного использования, а также поощрение гетерогенной интеграции, которая включает в себя интеграцию чиплетов из различных технологических узлов. для оптимизации функций, стоимости и производительности.

Рисунок 1. Интеграция набора микросхем в цепочку создания стоимости полупроводников.

Источник: Анализ DBMR.

Факторы, влияющие на внедрение чиплетов

• Сложность и специализация: Каждая отрасль, от анализа больших данных и искусственного интеллекта (ИИ) до высокопроизводительных вычислений и Интернета вещей (IoT), испытывает всплеск спроса на все более сложные и специализированные возможности обработки. Чтобы удовлетворить эту потребность, архитектуры чиплетов объединяют специализированные процессоры, оптимизированные для конкретных задач, создавая более мощные и энергоэффективные системы.
• Закон Мура и его недостатки:Обнаружение того, что количество транзисторов в чипе удваивается примерно каждые два года, что приводит к постоянному увеличению производительности, долгое время служило компасом отрасли. Однако из-за технологических и финансовых препятствий темпы масштабирования замедляются, что вынуждает бизнес искать другие пути расширения. В качестве альтернативы использованию исключительно закона Мура для поддержания повышения производительности за счет архитектурных прорывов, технология чиплетов представляет собой привлекательный подход.
• Гибкость производственного процесса и цепочки поставок: Международные цепочки поставок полупроводников становятся все более восприимчивыми к сбоям из-за непредвиденных событий, таких как пандемии, торговые споры и геополитические конфликты. Архитектура чиплетов обеспечивает более адаптируемые и надежные производственные процессы, что помогает смягчить некоторые из этих проблем. Производители могут уменьшить последствия локальных сбоев, производя и закупая микросхемы из различных источников и регионов, обеспечивая более стабильные поставки основных компонентов.

Проблемы, с которыми столкнулись во время архитектуры и интеграции чиплетов

• Тестирование и надежность: Тестирование становится более сложным, когда речь идет о проверке работоспособности и надежности систем на базе чиплетов. Чтобы гарантировать, что окончательный завершенный пакет микросхем будет функционировать должным образом при любых условиях, каждый чиплет и его межсоединения должны пройти тщательное тестирование на соответствие критериям качества и надежности.
• Проектирование и интеграция: Хотя чиплеты обладают большим потенциалом, существует ряд проблем проектирования и интеграции, которые необходимо решить. Для объединения различных компонентов в единую систему необходимы сложные технологии и процессы подключения. Чтобы чиплеты могли эффективно взаимодействовать и максимально точно имитировать производительность монолитного чипа, эти межсоединения должны иметь высокую пропускную способность и низкую задержку.
• Развитие экосистемы и стандартов: Поскольку технология чиплетов становится все более широко используемой, необходимо будет создать сильную экосистему, охватывающую общие стандарты проектирования, связи и интеграции. Установление этих стандартов необходимо для обеспечения того, чтобы чипсеты различных производителей могли согласованно взаимодействовать друг с другом. Это будет способствовать инновациям и снижению затрат за счет эффекта масштаба.

Преимущества технологии чиплетов

Сравнивая архитектуры на основе чиплетов с традиционными монолитными системами на кристаллах (SoC), можно выделить несколько преимуществ. Эти преимущества включают улучшенную функциональность, более низкое энергопотребление и большую свободу проектирования. По прогнозам ряда экспертов, специализированные чиплеты станут обычным элементом потребительских гаджетов по мере развития передовых технологий.

• Их способность легко настраивать и модернизировать приводит к сокращению времени разработки и снижению затрат.
• Чиплеты повышают производительность за счет использования уникальных компонентов обработки, оптимизированных для конкретных задач.
• Технология Chiplet известна своей гибкостью, которая позволяет производителям быстро адаптироваться к меняющимся рыночным условиям и новым технологическим разработкам.
• Поскольку боковой поток данных между компьютерными чипами составляет более половины их энергопотребления, создание схем из чиплетов также оказывает большое положительное влияние на окружающую среду.
• Чиплеты значительно снижают требования к сложной проводке, системам охлаждения и вспомогательным компонентам, присутствующим в традиционных конструкциях микросхем, за счет объединения различных функций в одном блоке.

Несмотря на то, что сегодня традиционные чипсеты контролируют большую часть компьютерных технологий в электронных устройствах, очевидно, что в будущем эта тенденция изменится. Эксперты прогнозируют, что по мере развития передовых технологий специализированные чиплеты получат широкое распространение.

Интеграция гетерогенных чиплетов в настоящее время представляет собой быстрорастущий рынок. И AMD, и Intel производят микропроцессоры в больших количествах, которые включают в себя гетерогенную интегрированную технологию упаковки и конструкции микросхем. Чип M1 Ultra от Apple был представлен в марте 2022 года. В этом чипе используется чиплетная архитектура, которая повышает производительность ПК Mac. Мы все еще находимся на ранних стадиях разработки и производства чипсетов. Но по мере того, как отраслевые стандарты укрепляются, на поверхность всплывают ранее немыслимые вычислительные модели.

На мировом рынке систем-на-чипе (SoC) наблюдается значительный рост благодаря растущему спросу на SoC во многих приложениях, включая интеллектуальные устройства, автономные транспортные средства, портативные медицинские устройства и другие. Вдобавок к этому, рост инвестиций различных государственных органов в создание производственных мощностей дополняет рост в прогнозируемый период. Согласно анализу Data Bridge Market Research, прогнозируется, что мировой рынок систем на кристалле (SoC) будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) на уровне 8,55% в период с 2022 по 2029 год.

Чтобы узнать больше об исследовании, посетите:https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-system-on-chip-soc-market

Несколько возможностей и проблем на рынке Интернета вещей (IoT)

Рисунок 1. Включение чипсета в различные устройства Интернета вещей.

Источник: Анализ DBMR.

Чтобы достичь высочайшей производительности, инвестиции в полупроводники были сосредоточены на миниатюризации устройств; однако это не лучший подход для устройств Интернета вещей. Ожидается, что в рамках мирового стремления к цифровой трансформации Интернет вещей (IoT) произведет революцию в предприятиях любого размера с появлением 5G и облачных вычислений. Ожидается, что, по крайней мере, в ближайшие несколько лет глобальные расходы на Интернет вещей будут увеличиваться двузначными темпами.

Интернет вещей оказывает влияние на все аспекты жизни общества, включая корпорации, правительство и потребителей. Такие отрасли, как производство, транспорт и коммунальные услуги, вкладывают значительные средства в эту новую технологию. Кроме того, потребители будут стимулировать спрос на интеллектуальные устройства, которые будут информировать их о своем доме и здоровье.

По мере появления все большего количества уникальных вариантов использования растущее число вариантов использования IoT открывает большой потенциал для производителей полупроводников, которые поставляют базовые кремниевые компоненты, а также OEM-производителей, стремящихся предложить передовые решения. Но чтобы сделать эти новые варианты использования возможными и еще больше продвинуть рынок, цена на устройства IoT, особенно на кремниевые чипы, обеспечивающие их интеллект, должна снизиться. Целью инвестиций в полупроводниковую отрасль за последние 50 лет было улучшение характеристик интегральных схем одиночных монолитных микросхем, используемых в высокопроизводительных приложениях. В результате размер каждого отдельного транзистора внутри полупроводниковых чипов постоянно уменьшается.

Компании, участвующие в цепочке поставок полупроводников, реинвестировали в узлы Интернета вещей, которые являются более старыми и хорошо зарекомендовавшими себя, но эта стратегия вряд ли продлится долго. В ответ на развитие рынка IoT производители полупроводников осуществили вторую волну инвестиций, чтобы использовать ту же технологию монолитной системы на кристалле (SoC) для повторного использования узлов предыдущих установленных размеров для использования в приложениях Интернета вещей со смешанными сигналами. Об этом свидетельствует тот факт, что даже с введением новых технологических узлов меньшего размера по-прежнему существует значительный спрос на пластины с узлами большего размера. Полупроводниковые компании тратят миллионы долларов на решение этой масштабной задачи по переносу аналоговых функций с 55 нм и 40 нм на 22 нм. Процедура миграции становится более сложной и дорогостоящей, поскольку геометрия становится меньше.

Было засвидетельствовано, что индустрия Интернета вещей, как ожидается, значительно вырастет для технологических компаний в течение следующих десяти лет. Производители чипов будут стремиться создать портфель продуктов, которые позволят им удовлетворить широкий спектр потенциальных применений в различных секторах. Однако, учитывая существующую монолитную архитектуру, которая представляет проблемы во многих измерениях, достижение этого по адекватной цене будет чрезвычайно сложной задачей из-за разнообразия вариантов использования Интернета вещей.

В последние годы на мировом рынке решений Интернета вещей (IoT) наблюдается значительный рост благодаря быстрому развитию инфраструктуры 5G для высокоскоростного подключения. Вдобавок к этому, растущие инициативы в области умных городов, растущее внедрение облачных технологий и использование большего количества подключенных устройств дополняют рост общего рынка IoT в прогнозируемый период. Согласно анализу Data Bridge Market Research, прогнозируется, что глобальный рынок решений Интернета вещей (IoT) будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) 29,30% в период с 2022 по 2029 год.

Чтобы узнать больше об исследовании, посетите:https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-iot-solutions-market

Чиплеты помогают устранить входные барьеры для Интернета вещей

Монолитные процессоры не всегда являются лучшим способом создания устройств Интернета вещей со смешанными сигналами. Использование архитектуры чиплетов — это альтернативный метод, который позволяет использовать несколько чиплетов на одной подложке или в одном корпусе, каждый из которых имеет свой размер технологического узла. По сравнению с подходом SoC, такие архитектуры предлагают разработчикам продуктов Интернета вещей ряд преимуществ, включая меньшие инвестиционные и производственные затраты, а также более низкую стоимость специализации. Помимо этого, другие преимущества включают более короткое время выхода на рынок, снижение рисков поставок для OEM-производителей и более простое архитектурное разделение.

• Более низкая стоимость инвестиций и специализация: Создание нового целевого технологического узла для семейства микросхем часто требует значительных финансовых затрат, а также тщательного планирования для обеспечения достойного возврата инвестиций (ROI). Первоначальные инвестиции в первую очередь определяются как выбранным технологическим узлом, так и размером и сложностью чипа. Архитектуры на основе чиплетов, в которых функциональные блоки используются в узлах более установленных размеров, а не встраиваются в новые, меньшие по размеру узлы, потребуют гораздо меньше денег для разработки равной функциональности.

OEM-производителям нужно только создавать специализированные микросхемы, необходимые для их приложений, и интегрировать их с коммерчески доступными чипсетами для обеспечения стандартной функциональности. Стратегия использования чиплетов также приводит к снижению затрат на проектирование любого конечного продукта.

• Более быстрая точка входа: Чиплеты ускоряют вывод на рынок новых продуктов двумя способами, что является основным коммерческим преимуществом:

Ускоренное создание прототипов: OEM-производители и полупроводниковые компании могут смешивать и сочетать различные кремниевые блоки, в том числе специальные чиплеты, для создания пробного продукта для быстрого рыночного тестирования, вместо того, чтобы вкладывать значительные средства в разработку нового монолитного чипа и следить за тем, чтобы все блоки работали правильно. выбранный размер узла

Более простые обновления: добавляя новые функциональные возможности к чипу без его полной переработки, можно выбирать функциональные блоки из «кремниевой библиотеки» интеллектуальной собственности (IP) третьих сторон, что позволяет сэкономить время на тестирование и проверку.

Это особенно полезно, если некоторые функции развиваются быстрее, чем другие, как сейчас происходит с чипами ML.

• Меньшие производственные затраты и минимальный риск поставок для OEM-производителей: Чип может быть отправлен на предприятие для массового производства после проверки его конструкции и производительности. Стратегия чиплетов позволяет снизить себестоимость единицы продукции чипа и, следовательно, готового продукта, а также стоимость и продолжительность передачи. Топологии чиплетов, в которых используются более крупные технологические узлы для аналоговых компонентов, приводят к меньшему количеству модификаций конструкции, более высокой производительности и упрощению производственных процедур.

Позволяя OEM-производителям получать свои функциональные блоки от нескольких поставщиков, а не от одного, конструкция чиплетов помогает снизить риски поставок.

Внедрение чиплетов откроет блестящее будущее в будущем

Растущее разнообразие возможных недорогих приложений Интернета вещей стимулирует рост использования чиплетов. Адаптивность чиплетов, быстрый вывод на рынок, а также более низкие затраты на разработку и производство делают очевидным, что у них есть потенциал для создания следующей волны инновационных и доступных решений Интернета вещей. С помощью этих разработок производители оригинального оборудования (OEM) могут легко интегрировать передовые цифровые и аналоговые функции в свои конечные продукты, предлагая большую гибкость конструкции в дополнение к оптимальной производительности. Использование стратегии «смешивай и подбирай» также может привести к снижению затрат на разработку этих элементов, поскольку специальные функции могут быть созданы в виде микросхем и впоследствии объединены с коммерчески доступными микросхемами. Оптимизированный процесс разработки и перехода к производству также приводит к значительному сокращению времени выхода на рынок.

Полупроводниковые предприятия также могут извлечь выгоду из этого метода. Благодаря чиплетам полупроводниковые предприятия смогут сократить свои портфели, сократить затраты и сроки разработки, а также предлагать более оптимальные продукты для более широкого спектра приложений. Продолжающийся прогресс полупроводниковой промышленности в разработке корпусов и межсоединений для облегчения этих вариантов использования является свидетельством этого желания. Технологии интеграции будут продолжать развиваться для поддержки всего спектра устройств Интернета вещей: от чрезвычайно сложных автономных автомобильных датчиков с поддержкой машинного обучения, где производительность имеет решающее значение, до более доступных смарт-тегов для потребительского использования.

Заключение

Чиплеты являются долгожданным отходом от традиционных технологий монолитных чипов и откроют двери множеству инновационных и недорогих устройств Интернета вещей, которые ранее были немыслимы. И OEM-производители, и полупроводниковые предприятия могут от этого только выиграть.

Технология чиплетов может полностью преобразовать широкий спектр отраслей, таких как освоение космоса, где необходимы модульные и масштабируемые системы, телекоммуникации для сетей 5G и автомобильная электроника для передовых систем помощи водителю (ADAS).

Поскольку традиционное масштабирование создает проблемы для полупроводниковой промышленности, конструкции на основе микросхем становятся мощной альтернативой, которая может стимулировать следующее поколение технологических разработок. Благодаря своей беспрецедентной гибкости, низкой стоимости и возможности настройки функциональности в соответствии с индивидуальными требованиями, чиплеты знаменуют собой резкий отход от традиционного подхода к проектированию электроники. Навыки и желание дизайнеров и инженеров отрасли внедрять и развивать технологию микросхем будут иметь решающее значение в определении направления развития электроники по мере нашего приближения к этой новой реальности.