"Visie van een Lego-bouwpakket": Wat zijn chiplets en waarom zijn ze zo belangrijk voor autofabrikanten?

Als mensen het over chips hebben, bedoelen ze steeds vaker combinaties van chipsets. Dit zijn minimodules die als legoblokjes in elkaar gezet kunnen worden, waardoor ze flexibeler, krachtiger en efficiënter zijn dan een monolithisch systeem. Dit maakt ze onder andere onmisbaar voor de toekomst van de auto-industrie.

Traditionele halfgeleiderchips bestaan ​​uit één stuk silicium waarop alle functionele eenheden zijn geïntegreerd. Dit monolithische ontwerp heeft zich al decennia lang bewezen – en voldoet aan de Wet van Moore, die stelt dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. De bijbehorende miniaturisatie van de structuren bereikt echter nu fysieke en economische grenzen. Een mogelijke oplossing hiervoor zijn systemen die bestaan ​​uit meerdere kleinere, gespecialiseerde componenten: zogenaamde chiplets.

Chiplets kunnen in principe elke functie van een conventionele chip uitvoeren. Ze kunnen een centrale verwerkingseenheid (CPU) of een grafische verwerkingseenheid (GPU) vormen. Andere beheren de communicatie met randapparatuur (PCIe, USB, Ethernet, SATA, enz.), bieden krachtige opslag of zijn verantwoordelijk voor de communicatie (Bluetooth, wifi, mobiele communicatie).

Chiplets kunnen ook allerlei speciale taken uitvoeren, bijvoorbeeld als zogenoemde datastroomoptimalisatoren, die de uitwisseling van informatie tussen computereenheden efficiënt regelen, of als beveiligingsmodules die gevoelige gegevens, zoals wachtwoorden en sleutels, veilig verwerken.

Momenteel vormt een monolithische SoC (System-on-Chip) nog steeds het hart van veel pc's, gameconsoles en andere computers. Hoe hoger de vereiste prestaties, hoe vaker chiplet-gebaseerde systemen worden gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn de AMD Ryzen 7000-serie en de Intel Core Ultra-serie.

Alleen uitbesteden indien nodig

Een systeem hoeft niet volledig uit chipsets te bestaan ​​– een groot voordeel van deze technologie is dat het de mogelijkheid biedt om individuele componenten gericht uit te besteden, wat in een monolithisch ontwerp te duur of inefficiënt zou zijn. Een voorbeeld hiervan is de AMD Ryzen 9, die onder andere in gaming-pc's wordt gebruikt. Twee CPU-chiplets zorgen voor de rekenkracht, terwijl een andere verantwoordelijk is voor de input en output (I/O).

Dit heeft verschillende voordelen: AMD kan verschillende producten met dezelfde chipsets produceren, omdat een ontwerp eenvoudig kan worden overgedragen naar verschillende productklassen (schaalbaarheid). Dit bespaart kosten. Hetzelfde geldt voor de opbrengst van siliciumschijven (wafers) in de productie. Door componenten uit te besteden, kunnen de rechthoekige onderdelen (dies) die de elektronische schakelingen van een processor, geheugen of andere component bevatten, kleiner zijn. Bovendien verhogen de chipsets de flexibiliteit, omdat de CPU en I/O afzonderlijk kunnen worden geüpgraded of vervangen.

Goede verbindingen zijn cruciaal

De sleutel is om de componenten zo te verbinden dat ze samenwerken als een monolithische siliciumchip. De uitdaging is om met behulp van ultradunne draden korte, snelle verbindingen met zo min mogelijk verlies tussen de elektrische componenten te maken, legt Andreas Ostmann van Fraunhofer IZM uit in een blogpost . De chips kunnen dicht bij elkaar worden geplaatst (flip-chip assembly) of over korte afstanden worden gestapeld (3D assembly).

Ostmann werkt samen met zijn collega Michael Schiffer aan het Chiplet Center of Excellence (CCoE), dat vorig jaar door verschillende Fraunhofer Institutes werd opgericht en zich richt op toepassingen in auto-elektronica. Eén reden hiervoor: Fraunhofer IZM haalt een marktonderzoek aan dat voorspelt dat de Europese chipletmarkt zal groeien van $ 0,697 miljard in 2023 naar een verwachte $ 54,612 miljard in 2033.

Enorme vraag vanuit de auto-industrie verwacht

Met name de automobielsector zal de marktexpansie stimuleren, schrijft Fraunhofer ITM. "Geavanceerde rijassistentiesystemen (ADAS), elektrische voertuigen (EV's) en connected car-technologieën vereisen hoogwaardige en energiezuinige halfgeleideroplossingen. Volgens de European Association of Automotive Suppliers (CLEPA) is de automobielsector goed voor 37 procent van de totale vraag naar halfgeleiders in Europa."

Conventionele SoC's kunnen economisch gezien niet aan deze vraag voldoen. "De ontwerpkosten voor een 7-nanometerchip bedragen momenteel ongeveer $ 300 miljoen. De kosten voor de ontwikkeling van een compleet systeem kunnen oplopen tot $ 500 miljoen of meer, afhankelijk van het aantal chipsets. Geen enkel bedrijf kan zich deze investering meer veroorloven", legt Schiffer uit.

Zelf ontwikkelen of kopen?

Door disaggregatie, oftewel het opdelen van een system-on-chip in individuele functionele componenten, kunnen fabrikanten en leveranciers specifiek bepalen welke functies strategisch belangrijk zijn en afzonderlijk ontwikkeld moeten worden, zegt Bart Placklé van het Belgische onderzoekscentrum imec in een interview met All-Electronics.de . Andere modules kunnen kosteneffectief en in gestandaardiseerde vorm worden aangeschaft.

"Concreet kun je je een moderne SoC voor een voertuig voorstellen als een modulair systeem", zegt Placklé. "De architectuur is opgedeeld in individuele chiplets – bijvoorbeeld basisfuncties zoals I/O-afhandeling, een CPU-chip, een aparte GPU-chiplet voor grafische toepassingen en een speciale AI-versneller voor neurale netwerken of spraakverwerking."

Geen Lego-bouwpakket zonder standaarden

Om deze "visie van een Lego-bouwpakket" te realiseren, zijn standaardoplossingen en interfaces die verschillende chips met elkaar laten communiceren essentieel, aldus Andreas Ostmann. Dit is momenteel echter niet mogelijk, vooral niet met componenten van verschillende fabrikanten. De visie is daarom om geverifieerde ontwerpregels vast te stellen voor de verbindingen tussen de platforms (behuizingen) waarop chipsets worden gemonteerd, aldus Michael Schiffer.

Dit zou ook het grootste probleem van de auto-industrie met chiplets kunnen oplossen: de modulaire oplossing is nog steeds veel te duur. "Chiplet-packaging werkt fantastisch in de cloudomgeving – daar kost een AI-acceleratorkaart van Nvidia al snel $ 30.000", zegt Andy Heinig, hoofd van het CCoE. "Als de package $ 1.000 kost, is dat acceptabel. In de auto-industrie is dat volkomen ondenkbaar. Daar wordt elk bord tot op de cent berekend."

Risicomijdende autofabrikanten

Een ander probleem is de rolverdeling tussen fabrikanten en leveranciers. "Wie ontwikkelt? Wie integreert? Wie profiteert? Deze vragen blijven onbeantwoord – en zonder economische prikkels zal niemand vooruitbetalen."

Uiteindelijk zijn Europese autofabrikanten te risicomijdend. "Iedereen die vandaag besluit om in 2030 een chipletsysteem in een auto te bouwen, moet veel zelfvertrouwen hebben – of bereid zijn aanzienlijke risico's te nemen", zegt Heinig. "Dat past niet bij de gevestigde autowereld. Aziatische fabrikanten daarentegen nemen hier eerder risico."

Nu is de beslissing genomen

Desondanks acht hij een marktintroductie rond 2033 realistisch. Bart Placklé is eveneens optimistisch en voorziet een productiestart "rond 2030". Dat klinkt nog ver weg, zegt hij. "De cruciale architectuurbeslissingen voor voertuigen die in 2028 of 2029 op de markt moeten komen, worden nu genomen – in 2025."

Net als Heinig verwacht Placklé dat chipletsystemen in eerste instantie alleen in het premiumsegment zullen worden gebruikt, "waar bijzonder hoge rekenkracht vereist is – bijvoorbeeld in Level 3- of Level 4-functionaliteit voor autonoom rijden of in bijzonder veeleisende systemen voor in de auto. Juist op deze gebieden bieden chiplets nu al duidelijke voordelen."