Полупроводниковые микросхемы — это основа нашего технологичного мира, на них работает всё — от смартфонов до серверов, поддерживающих облачные вычисления. Заметная тенденция в современных устройствах — сокращение пространства, доступного для специализированных задач, что требует от этих устройств эффективной обработки нескольких рабочих нагрузок в условиях ограниченных физических возможностей. Полупроводниковая промышленность претерпевает значительные изменения. Традиционные монолитные микросхемы сталкиваются с растущими трудностями по мере того, как расширяются границы вычислительной мощности, энергоэффективности и рентабельности. На смену им приходит архитектура на основе чиплетов — инновационное решение, способное произвести революцию в сфере полупроводниковых услуг и решений.
Технология чиплетов основана на модульных чипах, которые можно комбинировать для создания интегрированной системы на кристалле (SoC). Эти чипы разработаны специально для архитектуры на основе наборов микросхем, где несколько наборов микросхем работают вместе для создания единой схемы. Изучая технологию наборов микросхем, рассмотрим её значение, связь с SoC и последние тенденции.
Что такое архитектура на основе чиплетов?
Чиплетная архитектура — это модульный подход к проектированию микросхем, при котором несколько небольших кремниевых «чиплетов» соединяются между собой для формирования полноценной системы. В отличие от традиционных монолитных микросхем, в которых все компоненты интегрированы в один кристалл, чиплеты позволяют разрабатывать и интегрировать специализированные функции независимо друг от друга. Эти чиплеты соединяются с помощью высокоскоростных межсоединений, что обеспечивает эффективную коммуникацию и оптимизацию производительности.
Этот подход набирает популярность по мере того, как полупроводниковая промышленность сталкивается с физическими и экономическими ограничениями закона Мура. Архитектура набора микросхем, позволяющая использовать более мелкие и многократно используемые компоненты, обеспечивает гибкость, масштабируемость и более быстрый выход на рынок новых полупроводниковых решений.
Движущие силы, лежащие в основе чиплетной архитектуры
Внедрение архитектуры на основе чиплетов обусловлено несколькими ключевыми факторами:
- Сложность традиционного дизайна
Монолитные конструкции становятся всё более сложными и дорогими по мере роста спроса на более мощные процессоры. Производственные дефекты в крупных кристаллах могут привести к значительным убыткам. Архитектура Chiplet снижает эти риски за счёт замены дефектных компонентов без отказа от всей системы.
- Экономическая эффективность
Стоимость производства передовых чипов резко возросла. Чиплеты, созданные с использованием зрелых техпроцессов, снижают затраты, позволяя использовать передовые полупроводниковые решения для высокопроизводительных компонентов. Такой гибридный подход более экономичен и экологичен.
- Оптимизация производительности
Чиплеты обеспечивают гетерогенную интеграцию, при которой различные типы микросхем, такие как центральные процессоры, графические процессоры и ускорители, могут быть объединены для достижения оптимальной производительности. Такая модульность позволяет создавать специализированные полупроводниковые решения для конкретных задач, от центров обработки данных до периферийных вычислений.
Преимущества чиплетной архитектуры
Внедрение чиплетной архитектуры дает множество преимуществ:
- Гибкость и Масштабируемость
Чиплеты упрощают обновление или модификацию конструкции. Производитель может заменить или обновить один чиплет, не перепроектируя систему. Такая модульность способствует инновациям и адаптивности.
- Снижение затрат
Разделяя функции на более мелкие чипы, производители снижают вероятность производственных дефектов. Это приводит к повышению производительности, снижению затрат и повышению надёжности.
- Настройка под конкретные потребности
Чиплеты позволяют создавать индивидуальные полупроводниковые решения для искусственного интеллекта, автомобильной промышленности и телекоммуникаций. Такая персонализация повышает производительность и отвечает точным требованиям нишевых рынков.
- Ускоренный вывод продукции на рынок
Возможность повторного использования и параллельная разработка чипсетов сокращают циклы проектирования, позволяя компаниям быстрее выводить на рынок инновационные продукты.
Роль передовых полупроводниковых услуг
Услуги по производству полупроводников играют ключевую роль в успешной реализации архитектуры чиплетов. Эти услуги включают в себя проектирование, тестирование и решения по упаковке, обеспечивая бесперебойную интеграцию и оптимизацию производительности.
- Услуги по дизайну
Современные инструменты и методы проектирования необходимы для создания согласованных чипов в рамках более крупной системы. Услуги по проектированию также позволяют решать такие задачи, как управление питанием и теплоотвод.
- Тестирование и валидация
Тестирование чипов по отдельности и в составе системы имеет решающее значение для обеспечения надёжности и производительности. Полупроводниковые сервисы используют передовые протоколы тестирования для выявления и устранения проблем на ранних этапах производственного цикла.
- Упаковочные решения
Упаковка является важнейшим фактором, обеспечивающим работу чиплетной архитектуры. Передовые методы упаковки, такие как 2,5- и 3-мерная компоновка, необходимы для обеспечения высокой пропускной способности и низкой задержки при соединении чиплетов. Компании, предлагающие полупроводниковые решения, разработали сложные методы упаковки для удовлетворения этих требований.
Внедрение на рынок и лидеры отрасли
Ведущие полупроводниковые компании, такие как AMD, Intel и TSMC, лидируют в области внедрения архитектуры чиплетов. Процессоры AMD EPYC и технология Intel Foveros демонстрируют потенциал этого подхода.
Статистика роста
- Согласно отчёту Yole Développement за 2023 год, ожидается, что с 2023 по 2028 год рынок усовершенствованной упаковки, в том числе чипсов, будет расти в среднем на 8% в год.
- По прогнозам Gartner, к 2025 году 30% всех передовых процессоров будут использовать архитектуру на основе чипсетов.
Эти цифры подчёркивают огромные возможности для бизнеса компаний, инвестирующих в полупроводниковые услуги и решения на основе чипсетов.
Проблемы и направления на будущее
Хотя чиплетная архитектура предлагает множество преимуществ, она также создает проблемы:
- Стандарты межсоединений
Отсутствие стандартизированных протоколов взаимодействия может препятствовать совместимости чиплетов разных производителей. Такие инициативы, как Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe), созданный с целью стандартизации межкомпонентных соединений между чипами с открытым интерфейсом, решают эту проблему.
- Сложность проектирования
Модульная природа чиплетов требует сложных стратегий проектирования и интеграции. Для преодоления этих препятствий необходимо сотрудничество между поставщиками полупроводниковых услуг и разработчиками микросхем.
- Управление температурой
Обеспечение эффективного теплоотвода в плотно упакованных системах из чипсов является критически важной задачей. Инновации в области материалов и упаковки помогают решить эту проблему.
Для бизнеса архитектура чиплетов представляет собой нечто большее, чем просто технологическую инновацию; это путь к новым возможностям и конкурентным преимуществам. Внедряя полупроводниковые решения на основе чиплетjd, компании могут:
- Снижение затрат при сохранении производительности.
- Ускорьте внедрение инноваций с помощью модульных конструкций.
- Адаптируйте продукты к развивающимся рынкам, таким как искусственный интеллект, Интернет вещей и автономные транспортные средства.
Кроме того, сотрудничество с поставщиками услуг по производству полупроводников позволяет компаниям использовать опыт в проектировании, тестировании и упаковке для эффективного вывода на рынок передовых продуктов.
Заключение
Технология микросхем преобразует электронную промышленность благодаря своей инновационной методологии модульного проектирования. В основе этой концепции лежит использование компактных автономных блоков, называемых “микросхемами”, каждое из которых оптимизировано для выполнения определенной функции. Собирая эти микросхемы в единую систему, производители могут создавать гибкие индивидуальные решения для удовлетворения конкретных потребностей. Это усовершенствование должно изменить дизайн электронных компонентов и производство за счет упрощения производственных процессов и облегчения разработки высокоспециализированных, эффективных устройств.
Архитектура на основе чиплетов меняет ландшафт полупроводников. Она предлагает масштабируемую, экономичную и высокопроизводительную альтернативу, устраняя ограничения традиционных монолитных конструкций. По мере развития полупроводниковых сервисов и решений, поддерживающих смену парадигмы, компании могут значительно выиграть, внедряя эту преобразующую технологию.
Следующий рубеж в области полупроводников уже здесь, и он модульный, мощный и обладает огромным потенциалом. Компаниям пора изучить возможности микросхемной архитектуры и подготовиться к будущему, определяемому инновациями и адаптивностью.