Эра чиплетов: новый парадигмальный сдвиг в проектировании полупроводников

Чиплеты стали настоящим прорывом в проектировании полупроводников, предлагая инновационный подход, который радикально меняет процесс разработки.

Благодаря возможности объединения специализированных чиплетов в многочиповые пакеты, производители получают инструмент для создания решений, которые одновременно отличаются высокой производительностью и экономичностью. Этот метод позволяет не только минимизировать затраты, но и оптимизировать дизайн устройств, эффективно распределяя функции между отдельными компонентами, разработанными с использованием наиболее подходящих технологических процессов.

Популярность чиплетов стремительно растёт в самых разных отраслях благодаря их гибкости и универсальности. Они позволяют компаниям легко адаптировать продукты под индивидуальные требования конкретных приложений или рынков, существенно сокращая сроки проектирования и вывода на рынок. Такой подход становится не просто экономически выгодным, но и критически важным для ускоренного внедрения инноваций. В результате чиплеты превращаются в стратегически значимый инструмент, который открывает новые перспективы для развития полупроводниковой индустрии и даёт компаниям существенные конкурентные преимущества.

Что такое чиплеты и почему они важны?

Идея чиплетов базируется на рациональном подходе к проектированию полупроводников, где ключевая задача — объединить отдельные компоненты, оптимизированные под определённые функции, в единый пакет. Такой подход позволяет использовать наиболее подходящие производственные процессы для каждого компонента, что повышает эффективность и снижает затраты.

Вместо создания монолитного чипа, который требует применения передовых технологий для всех его частей, чиплеты дают возможность повторно использовать существующие компоненты для стандартных задач, сосредотачивая усилия на разработке новых функций, ориентированных на конкретные рынки или приложения.

Например, функции ввода-вывода (I/O), которые не получают значительных преимуществ от использования современных технологических процессов, могут изготавливаться с применением старых и более доступных геометрий. Это позволяет снизить затраты, сохранив при этом необходимую производительность. Такой гибкий подход особенно полезен для создания устройств, где сочетание стандартных функций и специализированных возможностей даёт конкурентное преимущество.

Чиплеты становятся экономически выгодной альтернативой монолитным чипам, позволяя эффективно масштабировать разработки и адаптировать их под конкретные задачи, не теряя в функциональности и производительности.

Недавние достижения в технологии чиплетов

В статье выделены два ключевых достижения в технологии чиплетов:

• Системный чиплет, разработанный Cadence Design и Arm Holdings, который предлагает эталонный дизайн для многочиповых систем-на-кристалле (SoC).
• Новые технологии межсоединений от Intel, обеспечивающие инфраструктуру для интеграции чиплетов в высокопроизводительные решения.

Преимущества подхода на основе чиплетов:

1. Экономичность: инженеры могут сосредоточиться на уникальных функциях с добавленной стоимостью, повторно используя стандартную логику, что снижает затраты на передовые технологические процессы.
2. Скорость выхода на рынок: использование готовых чиплетов ускоряет разработку и производство.
3. Масштабируемость: чиплеты обеспечивают модульные решения для систем разного уровня — от базовых до высокопроизводительных, поддерживая крупные многочиповые системы с использованием передовых межсоединений, таких как UCIe.
4. Повторное использование: функции, разработанные для одного поколения, могут быть использованы или адаптированы для будущих продуктов, способствуя развитию экосистемы чиплетов.

Системный чиплет Cadence-Arm

Компании Cadence Design и Arm Holdings разработали системный чиплет, оснащённый процессорами Arm, двумя контроллерами UCIe, сетью на кристалле (NOC) и гибкой архитектурой, поддерживающей подсистемы памяти, управления и ввода-вывода.

Первоначально ориентированный на автомобильную отрасль, этот дизайн отвечает растущему спросу на индивидуализированные полупроводники для таких функций, как информационно-развлекательные системы и системы управления. Учитывая, что рынок автомобильной электроники, как ожидается, достигнет $386 миллиардов к 2030 году, данное решение ускоряет разработку и увеличивает повторное использование компонентов.

Инновации Intel в интеграции чиплетов

На конференции IEEE IEDM 2024 компания Intel представила передовые технологии, которые открывают новые горизонты в области чиплетной интеграции. Одной из ключевых разработок стал Quasi Monolithic Multi-Chiplet Interposer, а также обновлённая версия тонкополосного EMIB. Эти инновационные решения значительно увеличивают плотность пропускной способности между чиплетами, что существенно улучшает общую производительность систем.

Ещё одним прорывом стала технология Selective Layer Transfer, позволяющая собирать сверхтонкие чиплеты толщиной менее 1 мкм. Этот метод обеспечивает до 100-кратного роста пропускной способности между компонентами, открывая путь к созданию более мощных и компактных систем.

Такие достижения решают множество проблем, связанных с интеграцией чиплетов, и делают возможным дальнейшее развитие высокопроизводительных вычислительных систем. Intel продолжает укреплять свои позиции лидера в области микроэлектроники, создавая технологии, которые задают новые стандарты эффективности и производительности.

Проблемы и ограничения

Чиплеты, несмотря на их очевидные преимущества, также вводят ряд дополнительных сложностей, которые необходимо учитывать при их внедрении. Одной из таких проблем являются межсоединения, такие как UCIe, которые занимают ценную площадь на кристалле. Эта площадь могла бы быть использована для размещения логических элементов или SRAM, что в свою очередь могло бы повысить общую производительность системы. Кроме того, межсоединения могут вызывать дополнительные задержки, которые оказывают влияние на скорость передачи данных между чиплетами и, следовательно, на производительность всей системы.

Примером такой двойственности является подход Nvidia, которая остаётся верна монолитным GPU. Компания утверждает, что её текущая архитектура обеспечивает оптимальную производительность, особенно для приложений в области искусственного интеллекта. Монолитные кристаллы Nvidia позволяют минимизировать задержки и максимизировать плотность логики, что пока делает их предпочтительным выбором для высокопроизводительных задач.

С другой стороны, пример GPU Intel Ponte Vecchio, основанного на чиплетной архитектуре, подчёркивает существующие проблемы. Эта модель столкнулась с производственными задержками и низким уровнем выхода годных кристаллов, что отрицательно сказалось на её конкурентоспособности.

В результате её производительность оказалась слабее, чем у решений, предлагаемых Nvidia, таких как H100. Эти вызовы подчеркивают, что, хотя чиплеты открывают новые возможности, их успешное внедрение требует решения ряда технических и производственных проблем.

Развитие экосистемы и новые бизнес-модели

Эволюция экосистемы чиплетов продолжает набирать обороты, открывая новые горизонты для технологий и бизнеса. Такие стартапы, как Tenstorrent, уже делают первые шаги, предлагая чиплеты на базе архитектуры RISC-V крупным клиентам, включая LG и Hyundai. В то же время компании Celestial AI, Credo Semiconductor и Alphawave Semi сосредотачиваются на разработке специализированных чиплетов для фотоники, I/O и сетевых подключений, что отражает стремление индустрии к инновациям в узкоспециализированных направлениях.