Чиплеты: Экономичный путь к передовой автомобильной электронике

Прежде всего, мы хотели бы подчеркнуть экономическую целесообразность использования архитектуры чиплетов в автомобильных системах.

Перед автомобильной промышленностью стоит беспрецедентная задача: интегрировать все более сложные электронные системы, сохраняя при этом конкурентоспособность по стоимости при массовом производстве. Традиционные монолитные системы-на-кристалле (SoC), несмотря на свою функциональную надежность, создают значительные экономические барьеры при масштабировании до автомобильных объемов. Технология чиплетов становится привлекательным решением, обеспечивающим существенные преимущества в стоимости за счет модульности, оптимизации выхода и повторного использования IP-блоков.

Рассмотрим типичный контроллер усовершенствованной системы помощи водителю (ADAS), требующий высокопроизводительных вычислительных ядер, специализированных ускорителей ИИ, множества коммуникационных интерфейсов и схем управления питанием. При монолитном подходе вся эта система будет изготовлена в виде одного большого чипа на дорогом современном технологическом узле (например, 7 или 5 нм). Если в какой-либо части этой большой матрицы обнаружатся производственные дефекты, весь чип станет непригодным для использования, что приведет к низкой производительности.

Подход, основанный на использовании чиплетов, в корне меняет это экономическое уравнение. Вместо одной большой микросхемы один и тот же контроллер ADAS может быть реализован с помощью нескольких микросхем меньшего размера: микросхема центрального процессора на 7 нм для повышения производительности, микросхемы интерфейса памяти на 22 нм для повышения экономичности, аналоговые радиочастотные микросхемы на специализированных процессах, а управление питанием на зрелых 65 нм узлах. Каждая микросхема может быть изготовлена независимо, протестирована отдельно, и только заведомо исправные матрицы собираются в конечный пакет. Такой подход обычно снижает общую стоимость системы на 20-40 %, а выход продукции увеличивается с 60-70 % до более чем 90 %.

Технология чиплета далеко не нова; на самом деле Гордон Мур в своей работе "Втискивание большего количества компонентов в интегральные схемы" уже упоминал о движении к многокристальным устройствам.

Чиплет представляет собой смену парадигмы традиционной философии проектирования полупроводников. Вместо того чтобы интегрировать все системные функции на одном куске кремния, архитектура чиплета разделяет сложные системы на более мелкие, функционально дискретные полупроводниковые матрицы, которые взаимодействуют через стандартизированные высокоскоростные межсоединения.

Каждый чиплет служит определенной цели в рамках более крупной системы. Подумайте об этом, как о строительстве из блоков LEGO, а не вырезании из цельного куска мрамора. Например, графическая микросхема обрабатывает визуальные данные, микросхема центрального процессора управляет общими вычислениями, микросхемы памяти обеспечивают хранение данных, а микросхемы ввода-вывода управляют внешними коммуникациями. Эти отдельные компоненты производятся отдельно, часто с использованием различных технологических процессов, оптимизированных для их конкретных функций, а затем собираются в единый корпус с использованием передовых технологий упаковки.

Ключевое отличие заключается в стандартах межсоединений. В отличие от традиционных многочиповых модулей, в которых различные микросхемы взаимодействуют через относительно медленные соединения на уровне упаковки, в чипсетах используются межсоединения со сверхвысокой пропускной способностью и низкой задержкой, такие как Advanced Interface Bus (AIB) от Intel, Infinity Fabric от AMD или новые стандарты, например Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe). Эти соединения приближаются по производительности к коммуникациям на кристалле, заставляя систему на чиплетах вести себя функционально как монолитная SoC, и именно здесь происходит волшебство.

Разработка чиплетов требует фундаментального переосмысления традиционных методологий проектирования ИС. Процесс начинается с разделения системы на уровни, где инженеры, не всегда из одной компании, должны тщательно проанализировать общие требования к системе и определить логические границы для разделения на отдельные микросхемы.

Решение о разделении включает несколько критических соображений. Функции, требующие частого обмена данными с высокой пропускной способностью, как правило, должны оставаться на одном чиплете, чтобы минимизировать межчиплетный трафик. Естественными границами являются домены мощности, а также различные технологические требования. Например, аналоговые схемы часто требуют иных технологических узлов, чем цифровая логика, что делает их идеальными кандидатами для отдельных чиплетов.

После разделения каждый чиплет должен быть спроектирован со стандартизированными интерфейсами. Это существенный отход от традиционного проектирования ИС, когда внутренние интерфейсы могли быть оптимизированы для конкретных реализаций. Интерфейсы микросхем должны соответствовать отраслевым стандартам или собственным протоколам, определяющим электрические характеристики, временные требования и протоколы связи.

Физические аспекты проектирования становятся более сложными при использовании микросхем. При традиционном планировании этажа теперь необходимо учитывать размещение высокоскоростных схем сериализатора/десериализатора (SerDes), сетей питания, охватывающих несколько чипсетов, и тепловое управление в многочиповом корпусе. Анализ целостности сигнала должен учитывать не только маршрутизацию внутри корпуса, но и межсоединения на уровне пакета и потенциальные перекрестные помехи между соседними микросхемами.

Стратегии верификации и тестирования также требуют изменений. Перед сборкой каждый чиплет должен быть тщательно протестирован в изоляции, что требует комплексных возможностей встроенного самотестирования (BIST). Тестирование после сборки становится еще более сложным, поскольку традиционные методы сканирования границ могут не обеспечить достаточного покрытия межчиплетных соединений.

Рисунок 3: Коммутатор с 8 чиплетами (изображение предоставлено компанией Cadence) Проблемы интеграции различных чиплетов в одном корпусе

Проблемы интеграции в системах на основе чиплетов охватывают несколько инженерных областей, каждая из которых представляет собой уникальные технические препятствия, которые необходимо преодолеть для успешной реализации.

Управление тепловым режимом представляет собой, пожалуй, самую серьезную проблему. Несколько активных кубиков, расположенных рядом, выделяют значительное количество тепла, создавая горячие точки, которые могут снижать производительность или вызывать проблемы с надежностью. Передовые тепловые решения, включая встроенные охлаждающие конструкции, материалы для термоинтерфейса и тщательную разработку источников питания, становятся крайне важными. Несоответствие коэффициента теплового расширения между различными материалами микросхем может вызвать механические напряжения, что может привести к разрушению паяных соединений или растрескиванию матрицы в результате температурных циклов.

Сложность доставки питания возрастает экспоненциально с увеличением количества микросхем. Для каждой микросхемы может потребоваться несколько доменов напряжения с определенными требованиями к току и шуму. Упаковка должна обеспечивать чистое и стабильное питание всех микросхем, сводя к минимуму падение напряжения на межсоединениях. Передовые технологии упаковки, такие как сквозные кремниевые проходы (TSV) и встроенные стабилизаторы напряжения, помогают решить эти проблемы, но увеличивают стоимость и сложность проектирования.

Целостность сигналов на межчиплетных соединениях требует тщательного внимания к согласованию импедансов, минимизации перекрестных помех и временному замыканию. Высокоскоростные сигналы, проходящие через межсоединения на уровне корпусов, сталкиваются с иными проблемами, чем при маршрутизации внутри корпуса, включая более значительные паразитные наводки, потенциальные электромагнитные помехи и вариации технологического процесса на подложке корпуса.

Производство и сборка представляют собой дополнительные трудности. Тестирование заведомо исправных микросхем становится критически важным, поскольку замена одной дефектной микросхемы после сборки, как правило, экономически нецелесообразна. Процессы сборки должны обеспечивать точное выравнивание и склеивание нескольких кубиков, часто разных размеров и толщины. Контроль качества и тестирование надежности становятся более сложными, поскольку отказы могут происходить на уровне матрицы, межсоединений или системы.

Интеграция программного обеспечения и микропрограмм добавляет еще один уровень сложности. Операционные системы и драйверы должны знать архитектуру чиплета, чтобы оптимизировать производительность, управлять энергопотреблением и справляться с потенциальными отказами. Протоколы когерентности кэша должны охватывать несколько кубиков, что требует тщательной координации для поддержания производительности на уровне системы.

Автомобильный сектор представляет множество интересных примеров использования технологии чиплетов, каждый из которых использует уникальные преимущества модульной полупроводниковой архитектуры.

Наиболее заметной областью применения являются усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS). Современные контроллеры ADAS требуют разнообразных вычислительных возможностей: процессоры компьютерного зрения для обработки данных с камер, процессоры обработки сигналов радаров, блоки обработки данных LiDAR, механизмы объединения датчиков и критически важная логика управления. Контроллер ADAS на базе чиплета может включать в себя высокопроизводительный процессорный чиплет для общей обработки данных, специализированные чипсеты ускорителей ИИ для машинного обучения, специализированные чипсеты обработки сигналов для данных датчиков и критически важные микроконтроллеры, сертифицированные по стандартам функциональной безопасности автомобилей (ISO 26262).

Такой подход имеет ряд преимуществ перед монолитными реализациями. Различные чипсеты могут быть изготовлены с использованием оптимальных технологических процессов - ускорители искусственного интеллекта на передовых узлах для достижения максимальной производительности, микроконтроллеры безопасности на зрелых, высоконадежных процессах, а аналоговые интерфейсы датчиков на специализированных процессах смешанных сигналов. Модульная архитектура также позволяет масштабировать семейства продуктов, в которых базовые системы ADAS используют меньшее количество микросхем, а системы премиум-класса оснащаются дополнительными вычислительными возможностями.

Информационно-развлекательные системы значительно выигрывают от модульности микросхем. Типичная автомобильная информационно-развлекательная система требует обработки графики для нескольких дисплеев, цифровой обработки аудиосигнала, модулей подключения (Wi-Fi, Bluetooth, сотовая связь) и вычислений общего назначения для приложений. Реализация чиплета позволяет производителям использовать проверенные графические чипсеты от бытовой электроники, специализированные чипсеты для подключения, сертифицированные для автомобильной промышленности, и оптимизированные по стоимости чипсеты для прикладных процессоров.

Еще одним интересным приложением являются силовые агрегаты электромобилей (EV). Системы управления EV требуют высоковольтного управления питанием, алгоритмов управления двигателем, функций управления аккумулятором и интерфейсов связи с автомобилем. Подход на основе микросхем позволяет отделить высоковольтные аналоговые схемы от чувствительной цифровой обработки, улучшить тепловое управление за счет распределения тепловыделяющих функций между несколькими кубиками и оптимизировать различные функции с помощью соответствующих технологических процессов.

Модули управления кузовом, управляющие такими функциями, как освещение, управление дверьми, стеклоподъемниками и климатическими системами, могут использовать архитектуру микросхем для создания масштабируемых и экономически эффективных решений. В базовых конфигурациях могут использоваться минимальные наборы микросхем для основных функций, а в автомобилях класса люкс - дополнительные микросхемы для расширенных возможностей.

Технология микросхем представляет собой революционный подход к разработке автомобильных полупроводников, предлагая убедительные решения двойных проблем отрасли, связанных с увеличением функциональности и снижением стоимости. Экономические преимущества очевидны: повышение производительности производства, снижение стоимости разработки за счет повторного использования дизайна и оптимизация технологического процесса для различных функций могут привести к снижению стоимости на уровне системы на 20-40 % по сравнению с монолитными альтернативами.

Однако для успешной реализации чиплета требуется освоение новых методологий проектирования, передовых технологий упаковки и сложных интеграционных задач. Тепловое управление, подача питания и целостность сигналов в многочиповых системах требуют сложных инженерных решений. Жесткие требования автомобильной промышленности к надежности и безопасности добавляют дополнительную сложность к и без того непростой задаче проектирования.

Несмотря на эти трудности, первые разработчики демонстрируют жизнеспособность подходов на основе микросхем в автомобильных приложениях. По мере становления отраслевых стандартов и развития методологий проектирования технология микросхем может стать доминирующей архитектурой для сложных автомобильных электронных систем. Технология предлагает практический путь к постоянным инновациям в автомобильной электронике при сохранении структуры затрат, необходимой для массового внедрения на рынке.

Будущее автомобильной электроники не за все более крупными монолитными чипами, а за интеллектуальным дезагрегированием функциональности в оптимизированные, многократно используемые строительные блоки чиплета. Для автомобильных инженеров понимание и принятие этого архитектурного сдвига будет иметь большое значение для разработки следующего поколения автомобильных электронных систем, обеспечивающих передовые возможности при конкурентоспособной стоимости.

Ссылки

1 Эффективная и действенная генерация схем тестирования и диагностики для многих межплатных соединений в корпусах на основе чиплета 2 Тестирование межплатных соединений с помощью JTAG/граничного сканирования (ScanWorks)

1.