« Vision d'un kit de construction Lego » : que sont les chiplets et pourquoi sont-ils si importants pour les constructeurs automobiles ?

Lorsqu'on parle de puces, on pense de plus en plus à des combinaisons de chiplets. Il s'agit de mini-modules assemblables comme des briques Lego, ce qui les rend plus flexibles, plus puissants et plus efficaces qu'un système monolithique. Cela les rend indispensables, entre autres, pour l'avenir de l'automobile.

Les puces semi-conductrices traditionnelles sont constituées d'une seule pièce de silicium sur laquelle sont intégrées toutes les unités fonctionnelles. Cette conception monolithique a fait ses preuves depuis des décennies, respectant la loi de Moore, selon laquelle le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans. Cependant, la miniaturisation des structures qui en découle atteint aujourd'hui des limites physiques et économiques. Une solution possible réside dans les systèmes composés de plusieurs composants plus petits et spécialisés : les « chiplets ».

Les chiplets peuvent, en principe, exécuter n'importe quelle fonction d'une puce classique. Ils peuvent constituer une unité centrale de traitement (CPU) ou une unité de traitement graphique (GPU). D'autres gèrent la communication avec les périphériques (PCIe, USB, Ethernet, SATA, etc.), fournissent un stockage haute performance ou sont responsables de la communication (Bluetooth, Wi-Fi, communications mobiles).

Les chiplets peuvent également effectuer toutes sortes de tâches spéciales, par exemple en tant qu'optimiseurs de flux de données qui contrôlent efficacement l'échange d'informations entre les unités de calcul, ou en tant que modules de sécurité qui traitent en toute sécurité des données sensibles telles que les mots de passe et les clés.

Actuellement, un SoC (System-on-Chip) monolithique constitue encore le cœur de nombreux PC, consoles de jeux et autres ordinateurs. Cependant, plus les performances requises sont élevées, plus les systèmes basés sur des chipsets sont fréquemment utilisés. On peut citer par exemple les séries Ryzen 7000 d'AMD et Core Ultra d'Intel.

Externaliser uniquement si nécessaire

Un système ne doit pas nécessairement être entièrement composé de chiplets. L'un des principaux avantages de cette technologie est qu'elle permet l'externalisation ciblée de composants individuels qui seraient trop coûteux ou inefficaces dans une conception monolithique. L'AMD Ryzen 9, utilisé notamment dans les PC de jeu, en est un exemple. Deux chiplets CPU fournissent la puissance de calcul, tandis qu'un autre est responsable des entrées et sorties (E/S).

Cela présente plusieurs avantages : AMD peut fabriquer différents produits avec les mêmes chiplets, car une conception peut être facilement transférée à différentes classes de produits (évolutivité). Cela permet de réduire les coûts. Il en va de même pour le rendement des disques de silicium (wafers) en production. L'externalisation des composants permet de réduire la taille des pièces rectangulaires (matrices) qui abritent les circuits électroniques d'un processeur, d'une mémoire ou d'un autre composant. De plus, les chiplets augmentent la flexibilité, car le processeur et les E/S peuvent être mis à niveau ou remplacés séparément.

De bonnes connexions sont cruciales

L'essentiel est de connecter les composants de manière à ce qu'ils fonctionnent ensemble comme une puce de silicium monolithique. Le défi consiste à garantir des connexions courtes et rapides avec le moins de pertes possible entre les composants électriques grâce à des fils ultra-fins, explique Andreas Ostmann du Fraunhofer IZM dans un article de blog . Les chiplets peuvent être rapprochés (assemblage de puces retournées) ou empilés (assemblage 3D) sur de courtes distances.

Ostmann travaille avec son collègue Michael Schiffer au Centre d'excellence Chiplet (CCoE), lancé l'année dernière par plusieurs instituts Fraunhofer et axé sur les applications en électronique automobile. L'une des raisons est que le Fraunhofer IZM cite une étude de marché prédisant que le marché européen des chiplets passera de 0,697 milliard de dollars en 2023 à 54,612 milliards de dollars en 2033.

Une forte demande attendue de l'industrie automobile

Le secteur automobile, en particulier, stimulera l'expansion du marché, indique Fraunhofer ITM. « Les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), les véhicules électriques (VE) et les technologies automobiles connectées nécessitent des solutions de semi-conducteurs performantes et économes en énergie. Selon l'Association européenne des fournisseurs de l'automobile (CLEPA), le secteur automobile représente 37 % de la demande totale de semi-conducteurs en Europe. »

Les SoC conventionnels ne peuvent pas répondre économiquement à cette demande. « Le coût de conception d'une puce de 7 nanomètres s'élève actuellement à environ 300 millions de dollars. Le développement d'un système complet peut atteindre 500 millions de dollars, voire plus, selon le nombre de puces. Aucune entreprise ne peut plus se permettre un tel investissement », explique Schiffer.

Développer soi-même ou acheter ?

Grâce à la désagrégation, c'est-à-dire la division d'un système sur puce en composants fonctionnels individuels, les fabricants et les fournisseurs peuvent déterminer précisément les fonctions stratégiques à développer individuellement, explique Bart Placklé, du centre de recherche belge imec, dans un entretien accordé à All-Electronics.de . D'autres modules peuvent être achetés à moindre coût et sous une forme standardisée.

« Concrètement, on peut imaginer un SoC de véhicule moderne comme un système modulaire », explique Placklé. « L'architecture est divisée en puces individuelles : par exemple, des fonctions de base comme la gestion des E/S, une puce CPU, une puce GPU distincte pour les graphiques et un accélérateur d'IA dédié aux réseaux neuronaux ou au traitement de la parole. »

Pas de kit Lego sans normes

Pour concrétiser cette « vision d'un kit de construction Lego », des solutions et des interfaces standardisées permettant aux différentes puces de communiquer entre elles sont essentielles, explique Andreas Ostmann. Or, cela n'est actuellement pas possible, notamment avec des composants de fabricants différents. L'objectif est donc d'établir des règles de conception vérifiées pour les connexions entre les plateformes (boîtiers) sur lesquelles les chiplets sont montés, explique Michael Schiffer.

Cela pourrait également permettre de résoudre le principal problème de l'industrie automobile avec les chiplets : la solution modulaire est encore beaucoup trop coûteuse. « Le packaging des chiplets fonctionne à merveille dans le cloud ; une carte accélératrice d'IA Nvidia peut facilement y coûter 30 000 $ », explique Andy Heinig, directeur du CCoE. « Si le package coûte 1 000 $, c'est acceptable. Dans le secteur automobile, c'est totalement impensable. Là-bas, chaque carte est calculée au centime près. »

Les constructeurs automobiles peu enclins au risque

Un autre problème réside dans la répartition des rôles entre fabricants et fournisseurs. « Qui développe ? Qui intègre ? Qui en bénéficie ? Ces questions restent sans réponse – et sans incitations économiques, personne ne versera d'acomptes. »

En fin de compte, les constructeurs automobiles européens sont trop réticents au risque. « Quiconque décide aujourd'hui d'intégrer un système de puces électroniques dans un véhicule en 2030 doit être très confiant, ou prêt à prendre des risques importants », explique Heinig. « Cela ne cadre pas avec le monde automobile établi. Les constructeurs asiatiques, en revanche, sont plus enclins à prendre des risques ici. »

Maintenant la décision est prise

Néanmoins, il considère qu'une entrée sur le marché vers 2033 est réaliste. Bart Placklé est tout aussi optimiste, envisageant un démarrage de la production « vers 2030 ». Cela semble bien loin, dit-il. « Les décisions architecturales cruciales pour les véhicules dont la commercialisation est prévue en 2028 ou 2029 sont prises dès maintenant, en 2025. »

Comme Heinig, Placklé s'attend à ce que les systèmes à puces soient initialement réservés au segment haut de gamme, « où une puissance de calcul particulièrement élevée est requise – par exemple pour les fonctionnalités de niveau 3 ou 4 de la conduite autonome ou pour les systèmes embarqués particulièrement exigeants. Les puces offrent d'ores et déjà des avantages évidents dans ces domaines précis. »