„Wizja zestawu konstrukcyjnego Lego”: Czym są chiplety i dlaczego są tak ważne dla producentów samochodów?

Kiedy ludzie mówią o chipach, coraz częściej mają na myśli kombinacje chipletów. Są to mini-moduły, które można składać jak klocki Lego, co czyni je bardziej elastycznymi, wydajnymi i wydajnymi niż monolityczny system. To sprawia, że ​​są niezbędne dla przyszłości motoryzacji, między innymi.

Tradycyjne układy scalone półprzewodnikowe składają się z pojedynczego kawałka krzemu, na którym zintegrowane są wszystkie jednostki funkcjonalne. Ta monolityczna konstrukcja sprawdza się od dziesięcioleci – spełniając prawo Moore’a, które mówi, że liczba tranzystorów na układzie podwaja się mniej więcej co dwa lata. Jednak związana z tym miniaturyzacja struktur osiąga obecnie granice fizyczne i ekonomiczne. Jedną z możliwych odpowiedzi na to pytanie są systemy składające się z kilku mniejszych, wyspecjalizowanych komponentów: tak zwanych chipletów.

Chiplety mogą w zasadzie wykonywać dowolną funkcję konwencjonalnego układu scalonego. Mogą tworzyć jednostkę centralną (CPU) lub jednostkę przetwarzania grafiki (GPU). Inne zarządzają komunikacją z urządzeniami peryferyjnymi (PCIe, USB, Ethernet, SATA itp.), zapewniają pamięć masową o wysokiej wydajności lub odpowiadają za komunikację (Bluetooth, Wi-Fi, komunikacja mobilna).

Chiplety mogą również wykonywać różnego rodzaju zadania specjalne, na przykład działać jako tzw. optymalizatory przepływu danych, które skutecznie kontrolują wymianę informacji między jednostkami obliczeniowymi, lub jako moduły bezpieczeństwa, które bezpiecznie przetwarzają poufne dane, takie jak hasła i klucze.

Obecnie monolityczny SoC (System-on-Chip) jest nadal sercem wielu komputerów PC, konsol do gier i innych komputerów. Jednak im wyższa wymagana wydajność, tym częściej używane są systemy oparte na chipletach. Przykłady obejmują serię AMD Ryzen 7000 i serię Intel Core Ultra.

Zlecaj na zewnątrz tylko wtedy, gdy jest to konieczne

System nie musi składać się wyłącznie z chipletów – główną zaletą tej technologii jest to, że umożliwia ukierunkowane outsourcingowanie poszczególnych komponentów, które byłyby zbyt drogie lub nieefektywne w monolitycznej konstrukcji. Jednym z przykładów jest AMD Ryzen 9, który jest używany między innymi w komputerach do gier. Dwa chiplety CPU zapewniają moc obliczeniową, podczas gdy inny odpowiada za wejście i wyjście (I/O).

Ma to kilka zalet: AMD może produkować różne produkty z tymi samymi chipletami, ponieważ projekt można łatwo przenieść do różnych klas produktów (skalowalność). To oszczędza koszty. To samo dotyczy wydajności dysków krzemowych (wafli) w produkcji. Outsourcing komponentów pozwala na zmniejszenie prostokątnych elementów (matryc), w których znajdują się obwody elektroniczne procesora, pamięci lub innego komponentu. Ponadto chiplety zwiększają elastyczność, ponieważ procesor i I/O można uaktualnić lub wymienić osobno.

Dobre połączenia są kluczowe

Kluczem jest połączenie komponentów w taki sposób, aby działały razem jak monolityczny układ krzemowy. Wyzwaniem jest zapewnienie krótkich, szybkich połączeń z jak najmniejszymi stratami między komponentami elektrycznymi przy użyciu ultracienkich przewodów, wyjaśnia Andreas Ostmann z Fraunhofer IZM we wpisie na blogu . Chiplety można umieszczać blisko siebie (montaż typu flip-chip) lub układać w stosy (montaż 3D) na krótkich odległościach.

Ostmann współpracuje ze swoim kolegą Michaelem Schifferem w Chiplet Center of Excellence (CCoE), które zostało uruchomione w zeszłym roku przez kilka instytutów Fraunhofer i koncentruje się na zastosowaniach w elektronice samochodowej. Jednym z powodów jest to, że Fraunhofer IZM cytuje badanie rynku, które przewiduje, że europejski rynek chipletów wzrośnie z 0,697 mld USD w 2023 r. do oczekiwanych 54,612 mld USD w 2033 r.

Oczekuje się ogromnego popytu ze strony przemysłu motoryzacyjnego

Sektor motoryzacyjny, w szczególności, będzie napędzał ekspansję rynku, pisze Fraunhofer ITM. „Zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS), pojazdy elektryczne (EV) i technologie samochodów podłączonych wymagają wysokowydajnych i energooszczędnych rozwiązań półprzewodnikowych. Według Europejskiego Stowarzyszenia Dostawców Motoryzacyjnych (CLEPA) sektor motoryzacyjny odpowiada za 37 procent całkowitego popytu na półprzewodniki w Europie”.

Konwencjonalne SoC nie są w stanie sprostać temu zapotrzebowaniu pod względem ekonomicznym. „Koszty projektowania 7-nanometrowego układu scalonego wynoszą obecnie około 300 milionów dolarów. Koszt opracowania całego systemu może osiągnąć 500 milionów dolarów lub więcej, w zależności od liczby chipletów. Żadna pojedyncza firma nie może sobie już pozwolić na taką inwestycję” — wyjaśnia Schiffer.

Rozwijać się czy kupować?

Poprzez dezagregację, tj. podział systemu na chipie na poszczególne komponenty funkcjonalne, producenci i dostawcy mogą konkretnie decydować, które funkcje są strategicznie ważne i powinny być rozwijane indywidualnie, mówi Bart Placklé z belgijskiego ośrodka badawczego imec w wywiadzie dla All-Electronics.de . Inne moduły można kupić w sposób opłacalny i w formie znormalizowanej.

„Konkretnie rzecz biorąc, można sobie wyobrazić nowoczesny SoC pojazdu jako system modułowy” — mówi Placklé. „Architektura jest podzielona na pojedyncze chiplety — na przykład podstawowe funkcje, takie jak obsługa IO, chip CPU, oddzielny chiplet GPU do grafiki i dedykowany akcelerator AI do sieci neuronowych lub przetwarzania mowy”.

Nie ma zestawu Lego bez standardów

Aby zrealizować tę „wizję zestawu konstrukcyjnego Lego”, niezbędne są standardowe rozwiązania i interfejsy, które umożliwiają różnym chipom komunikowanie się ze sobą, mówi Andreas Ostmann. Jednak obecnie nie jest to możliwe, zwłaszcza w przypadku komponentów od różnych producentów. Wizja polega zatem na ustanowieniu sprawdzonych reguł projektowania połączeń między platformami (pakietami), na których montowane są chiplety, mówi Michael Schiffer.

To może również umożliwić rozwiązanie największego problemu branży motoryzacyjnej z chipletami: rozwiązanie modułowe jest nadal o wiele za drogie. „Opakowania chipletów działają wspaniale w środowisku chmurowym – tam karta akceleratora AI firmy Nvidia może łatwo kosztować 30 000 USD” – mówi Andy Heinig, szef CCoE. „Jeśli pakiet kosztuje 1000 USD, jest to akceptowalne. W sektorze motoryzacyjnym jest to zupełnie nie do pomyślenia. Tam każda płytka jest obliczana co do ostatniego centa”.

Producenci samochodów niechętni ryzyku

Innym problemem jest podział ról między producentami i dostawcami. „Kto się rozwija? Kto integruje? Kto korzysta? Te pytania pozostają nierozwiązane – a bez bodźców ekonomicznych nikt nie będzie dokonywał płatności z góry”.

Ostatecznie europejscy producenci samochodów są zbyt niechętni ryzyku. „Każdy, kto dziś zdecyduje się na umieszczenie układu chiplet w pojeździe w 2030 r., musi być bardzo pewny siebie – lub być gotowym na podjęcie znacznego ryzyka” – mówi Heinig. „To nie pasuje do ugruntowanego świata motoryzacyjnego. Z drugiej strony azjatyccy producenci są bardziej skłonni do podejmowania ryzyka”.

Teraz decyzja zapadła

Niemniej jednak uważa, że ​​wejście na rynek około 2033 r. jest realistyczne. Bart Placklé jest podobnie optymistyczny, przewidując rozpoczęcie produkcji „około 2030 r.” To brzmi po prostu odlegle, mówi. „Kluczowe decyzje architektoniczne dotyczące pojazdów, które mają trafić na rynek w 2028 lub 2029 r., są podejmowane teraz – w 2025 r.”

Podobnie jak Heinig, Placklé spodziewa się, że systemy chipletów będą początkowo wykorzystywane wyłącznie w segmencie premium, „gdzie wymagana jest szczególnie wysoka moc obliczeniowa – na przykład do funkcjonalności poziomu 3 lub poziomu 4 w przypadku autonomicznej jazdy lub do szczególnie wymagających systemów w kabinie. Chiplety oferują już wyraźne korzyści właśnie w tych obszarach”.