"Visión de un kit de construcción Lego": ¿Qué son los chiplets y por qué son tan importantes para los fabricantes de automóviles?

Cuando se habla de chips, cada vez más se hace referencia a combinaciones de chiplets. Estos son minimódulos que se pueden ensamblar como piezas de Lego, lo que los hace más flexibles, potentes y eficientes que un sistema monolítico. Esto los hace indispensables para el futuro de la automoción, entre otras cosas.

Los chips semiconductores tradicionales constan de una sola pieza de silicio en la que se integran todas las unidades funcionales. Este diseño monolítico ha demostrado su eficacia durante décadas, cumpliendo la Ley de Moore, que establece que el número de transistores en un chip se duplica aproximadamente cada dos años. Sin embargo, la miniaturización asociada a las estructuras está alcanzando límites físicos y económicos. Una posible solución son los sistemas compuestos por varios componentes más pequeños y especializados: los llamados chiplets.

Los chiplets pueden, en principio, realizar cualquier función de un chip convencional. Pueden formar una unidad central de procesamiento (CPU) o una unidad de procesamiento gráfico (GPU). Otros gestionan la comunicación con periféricos (PCIe, USB, Ethernet, SATA, etc.), proporcionan almacenamiento de alto rendimiento o son responsables de la comunicación (Bluetooth, Wi-Fi, comunicaciones móviles).

Los chiplets también pueden realizar todo tipo de tareas especiales, por ejemplo, como los denominados optimizadores de flujo de datos que controlan eficientemente el intercambio de información entre unidades de computación, o como módulos de seguridad que procesan de forma segura datos sensibles como contraseñas y claves.

Actualmente, un SoC (sistema en chip) monolítico sigue siendo el núcleo de muchos PC, consolas de videojuegos y otros ordenadores. Sin embargo, cuanto mayor es el rendimiento requerido, con mayor frecuencia se utilizan sistemas basados ​​en chiplets. Algunos ejemplos son la serie Ryzen 7000 de AMD y la serie Core Ultra de Intel.

Sólo subcontratar si es necesario

Un sistema no tiene por qué consistir exclusivamente en chiplets: una gran ventaja de esta tecnología es que permite la externalización selectiva de componentes individuales que resultarían demasiado costosos o ineficientes en un diseño monolítico. Un ejemplo de ello es el AMD Ryzen 9, utilizado, entre otros, en PC para juegos. Dos chiplets de CPU proporcionan la potencia de procesamiento, mientras que otro se encarga de la entrada y salida (E/S).

Esto tiene varias ventajas: AMD puede fabricar diferentes productos con los mismos chiplets, ya que un diseño se puede transferir fácilmente a diferentes clases de productos (escalabilidad). Esto ahorra costos. Lo mismo ocurre con el rendimiento de los discos de silicio (obleas) en producción. La externalización de componentes permite que las piezas rectangulares (matrices) que albergan los circuitos electrónicos de un procesador, memoria u otro componente sean más pequeñas. Además, los chiplets aumentan la flexibilidad, ya que la CPU y las E/S se pueden actualizar o reemplazar por separado.

Las buenas conexiones son cruciales

La clave es conectar los componentes de forma que actúen juntos como un chip de silicio monolítico. El reto consiste en garantizar conexiones cortas y rápidas con la mínima pérdida posible entre los componentes eléctricos mediante cables ultrafinos, explica Andreas Ostmann, de Fraunhofer IZM, en una entrada de blog . Los chiplets pueden colocarse juntos (ensamblaje de chip invertido) o apilarse (ensamblaje 3D) para distancias cortas.

Ostmann trabaja con su colega Michael Schiffer en el Centro de Excelencia de Chiplets (CCoE), creado el año pasado por varios Institutos Fraunhofer y centrado en aplicaciones en electrónica automotriz. Una razón para ello: Fraunhofer IZM cita un estudio de mercado que predice que el mercado europeo de chiplets crecerá de 697 millones de dólares en 2023 a una cifra estimada de 54 612 millones de dólares en 2033.

Se espera una gran demanda de la industria automotriz

El sector automotriz, en particular, impulsará la expansión del mercado, según Fraunhofer ITM. «Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), los vehículos eléctricos (VE) y las tecnologías de vehículos conectados requieren soluciones de semiconductores de alto rendimiento y eficiencia energética. Según la Asociación Europea de Proveedores de Automoción (CLEPA), el sector automotriz representa el 37 % de la demanda total de semiconductores en Europa».

Los SoC convencionales no pueden satisfacer económicamente esta demanda. «El coste de diseño de un chip de 7 nanómetros asciende actualmente a unos 300 millones de dólares. El coste de desarrollo de un sistema completo puede alcanzar los 500 millones de dólares o más, dependiendo del número de chiplets. Ninguna empresa puede permitirse ya esta inversión», explica Schiffer.

¿Desarrollarte o comprar?

Mediante la desagregación, es decir, la división de un sistema en chip (SOM) en componentes funcionales individuales, los fabricantes y proveedores pueden decidir específicamente qué funciones son estratégicamente importantes y deben desarrollarse individualmente, afirma Bart Placklé, del centro de investigación belga imec, en una entrevista con All-Electronics.de . Se pueden adquirir otros módulos de forma económica y estandarizada.

"En concreto, podemos imaginar un SoC de vehículo moderno como un sistema modular", afirma Placklé. "La arquitectura se divide en chiplets individuales: por ejemplo, funciones básicas como la gestión de E/S, un chip de CPU, un chiplet de GPU independiente para gráficos y un acelerador de IA dedicado para redes neuronales o procesamiento de voz".

No hay kit Lego sin estándares

Para hacer realidad esta "visión de un kit de construcción Lego", son esenciales soluciones e interfaces estándar que permitan la comunicación entre diferentes chips, afirma Andreas Ostmann. Sin embargo, esto actualmente no es posible, especialmente con componentes de diferentes fabricantes. Por lo tanto, la visión es establecer reglas de diseño verificadas para las conexiones entre las plataformas (paquetes) en las que se montan los chiplets, explica Michael Schiffer.

Esto también podría permitir resolver el mayor problema de la industria automotriz con los chiplets: la solución modular sigue siendo demasiado cara. «El empaquetado de chiplets funciona de maravilla en el entorno de la nube; allí, una tarjeta aceleradora de IA de Nvidia puede costar fácilmente 30.000 dólares», afirma Andy Heinig, director del CCoE. «Si el paquete cuesta 1.000 dólares, es aceptable. En el sector automotriz, eso es completamente impensable. Allí, cada placa se calcula hasta el último céntimo».

Fabricantes de automóviles reacios al riesgo

Otro problema es la distribución de funciones entre fabricantes y proveedores. "¿Quién desarrolla? ¿Quién integra? ¿Quién se beneficia? Estas preguntas siguen sin resolverse, y sin incentivos económicos, nadie realizará pagos anticipados".

En definitiva, los fabricantes de automóviles europeos son demasiado reacios al riesgo. «Cualquiera que decida hoy instalar un sistema de chiplets en un vehículo en 2030 debe tener mucha confianza o estar dispuesto a asumir riesgos significativos», afirma Heinig. «Eso no encaja con el mundo automovilístico establecido. Los fabricantes asiáticos, en cambio, son más propensos a asumir riesgos en este ámbito».

Ahora la decisión está tomada

Sin embargo, considera realista una entrada al mercado a partir de 2033. Bart Placklé se muestra igualmente optimista y prevé un inicio de producción "alrededor de 2030". Eso suena lejano, afirma. "Las decisiones arquitectónicas cruciales para los vehículos programados para salir al mercado en 2028 o 2029 se están tomando ahora, en 2025".

Al igual que Heinig, Placklé prevé que los sistemas de chiplets se utilizarán inicialmente solo en el segmento premium, «donde se requiere una potencia de cálculo especialmente alta, por ejemplo, para la funcionalidad de nivel 3 o 4 en la conducción autónoma o para sistemas de cabina especialmente exigentes. Los chiplets ya ofrecen claras ventajas precisamente en estas áreas».