"Lego yapım kiti vizyonu": Chiplet'ler nedir ve otomobil üreticileri için neden bu kadar önemlidir?

İnsanlar çiplerden bahsettiğinde, giderek daha fazla çiplet kombinasyonlarını kastediyorlar. Bunlar, Lego tuğlaları gibi birleştirilebilen ve onları monolitik bir sistemden daha esnek, güçlü ve verimli hale getiren mini modüllerdir. Bu, onları diğer şeylerin yanı sıra otomotiv geleceği için vazgeçilmez kılar.

Geleneksel yarı iletken yongalar, tüm işlevsel birimlerin entegre edildiği tek bir silikon parçasından oluşur. Bu monolitik tasarım, on yıllardır kendini kanıtlamıştır - bir yongadaki transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir iki katına çıktığını belirten Moore Yasası'nı yerine getirir. Ancak, yapıların ilişkili minyatürleştirilmesi artık fiziksel ve ekonomik sınırlara ulaşmaktadır. Buna olası bir cevap, birkaç küçük, özel bileşenden oluşan sistemlerdir: sözde yongacıklar.

Çipletler, prensipte, geleneksel bir çipin herhangi bir işlevini gerçekleştirebilir. Merkezi bir işlem birimi (CPU) veya bir grafik işlem birimi (GPU) oluşturabilirler. Diğerleri çevre birimleriyle iletişimi yönetir (PCIe, USB, Ethernet, SATA, vb.), yüksek performanslı depolama sağlar veya iletişimden sorumludur (Bluetooth, Wi-Fi, mobil iletişimler).

Yongalar ayrıca her türlü özel görevi de yerine getirebilirler; örneğin, bilgi işlem birimleri arasındaki bilgi alışverişini etkin bir şekilde kontrol eden veri akışı düzenleyicileri olarak veya parolalar ve anahtarlar gibi hassas verileri güvenli bir şekilde işleyen güvenlik modülleri olarak kullanılabilirler.

Şu anda, monolitik bir SoC (System-on-Chip) hala birçok PC, oyun konsolu ve diğer bilgisayarların kalbidir. Ancak, gereken performans ne kadar yüksekse, yonga tabanlı sistemler o kadar sık ​​kullanılır. Örnekler arasında AMD'nin Ryzen 7000 serisi ve Intel'in Core Ultra serisi bulunur.

Sadece gerekliyse dış kaynak kullanın

Bir sistemin tamamen yongacıklardan oluşması gerekmez; bu teknolojinin en büyük avantajlarından biri, monolitik bir tasarımda çok pahalı veya verimsiz olacak bireysel bileşenlerin hedefli dış kaynak kullanımına izin vermesidir. Bunun bir örneği, diğerlerinin yanı sıra oyun bilgisayarlarında kullanılan AMD Ryzen 9'dur. İki CPU yongacığı hesaplama gücünü sağlarken, diğeri giriş ve çıkıştan (G/Ç) sorumludur.

Bunun birkaç avantajı vardır: AMD, bir tasarım kolayca farklı ürün sınıflarına aktarılabildiğinden (ölçeklenebilirlik) aynı yongacıklarla farklı ürünler üretebilir. Bu, maliyet tasarrufu sağlar. Aynısı, üretimdeki silikon disklerin (wafer'ların) verimi için de geçerlidir. Bileşenlerin dış kaynak kullanımı, bir işlemcinin, belleğin veya diğer bir bileşenin elektronik devrelerini barındıran dikdörtgen parçaların (kalıpların) daha küçük olmasını sağlar. Dahası, yongacıklar, CPU ve G/Ç ayrı ayrı yükseltilebildiği veya değiştirilebildiğinden esnekliği artırır.

İyi bağlantılar hayati önem taşır

Önemli olan, bileşenleri monolitik bir silikon çip gibi birlikte hareket edecek şekilde bağlamaktır. Zorluk, ultra ince kablolar kullanarak elektrik bileşenleri arasında mümkün olduğunca az kayıpla kısa ve hızlı bağlantılar sağlamaktır, Fraunhofer IZM'den Andreas Ostmann bir blog yazısında açıklıyor. Çipler kısa mesafeler için birbirine yakın (flip-chip montajı) veya üst üste (3D montaj) yerleştirilebilir.

Ostmann, geçen yıl birkaç Fraunhofer Enstitüsü tarafından başlatılan ve otomotiv elektroniğindeki uygulamalara odaklanan Chiplet Center of Excellence'da (CCoE) meslektaşı Michael Schiffer ile birlikte çalışıyor. Bunun bir nedeni: Fraunhofer IZM, Avrupa chiplet pazarının 2023'te 0,697 milyar dolardan 2033'te beklenen 54,612 milyar dolara çıkacağını öngören bir pazar araştırmasına atıfta bulunuyor.

Otomotiv sektöründen büyük talep bekleniyor

Özellikle otomotiv sektörü pazar genişlemesini yönlendirecek, diye yazıyor Fraunhofer ITM. "Gelişmiş sürücü destek sistemleri (ADAS), elektrikli araçlar (EV'ler) ve bağlantılı araç teknolojileri yüksek performanslı ve enerji açısından verimli yarı iletken çözümleri gerektirir. Avrupa Otomotiv Tedarikçileri Birliği'ne (CLEPA) göre, otomotiv sektörü Avrupa'daki toplam yarı iletken talebinin %37'sini oluşturmaktadır."

Geleneksel SoC'ler bu talebi ekonomik olarak karşılayamaz. "7 nanometrelik bir çipin tasarım maliyeti şu anda yaklaşık 300 milyon dolardır. Tüm bir sistemi geliştirmenin maliyeti, çip sayısına bağlı olarak 500 milyon dolara veya daha fazlasına ulaşabilir. Artık hiçbir şirket bu yatırımı karşılayamaz," diye açıklıyor Schiffer.

Kendinizi geliştirin veya satın alın?

Belçika araştırma merkezi imec'ten Bart Placklé, All-Electronics.de ile yaptığı bir röportajda, parçalama, yani bir sistem-çip'in ayrı ayrı işlevsel bileşenlere bölünmesi yoluyla, üreticiler ve tedarikçilerin hangi işlevlerin stratejik olarak önemli olduğuna ve ayrı ayrı geliştirilmesi gerektiğine özel olarak karar verebileceğini söylüyor. Diğer modüller uygun maliyetli ve standartlaştırılmış biçimde satın alınabilir.

"Somut olarak, modern bir araç SoC'sini modüler bir sistem olarak hayal edebilirsiniz," diyor Placklé. "Mimari, ayrı yongacıklara bölünmüştür - örneğin, IO işleme, bir CPU yongası, grafikler için ayrı bir GPU yongacığı ve sinir ağları veya konuşma işleme için özel bir AI hızlandırıcı gibi temel işlevler."

Standartlar olmadan Lego seti olmaz

Andreas Ostmann, bu "Lego yapı kiti vizyonunu" gerçekleştirmek için farklı çiplerin birbirleriyle iletişim kurmasını sağlayan standart çözümler ve arayüzlerin olmazsa olmaz olduğunu söylüyor. Ancak bu şu anda mümkün değil, özellikle farklı üreticilerden gelen bileşenlerle. Bu nedenle vizyon, çipletlerin monte edildiği platformlar (paketler) arasındaki bağlantılar için doğrulanmış tasarım kuralları oluşturmaktır diyor Michael Schiffer.

Bu, otomotiv sektörünün yongalarla ilgili en büyük sorununu çözmeyi de mümkün kılabilir: Modüler çözüm hâlâ çok pahalı. CCoE başkanı Andy Heinig, "Yonga paketleme bulut ortamında harika çalışıyor - orada, Nvidia'nın bir AI hızlandırıcı kartı kolayca 30.000 dolara mal olabilir," diyor. "Paket 1.000 dolara mal oluyorsa, bu kabul edilebilir. Otomotiv sektöründe, bu tamamen düşünülemez. Orada, her kart son kuruşa kadar hesaplanıyor."

Riskten kaçınan otomobil üreticileri

Bir diğer sorun ise üreticiler ve tedarikçiler arasındaki rol dağılımıdır. "Kim geliştiriyor? Kim entegre ediyor? Kim faydalanıyor? Bu sorular henüz çözülmedi ve ekonomik teşvikler olmadan kimse ön ödeme yapmayacak."

Sonuç olarak, Avrupalı ​​otomobil üreticileri riskten çok kaçınıyor. Heinig, "Bugün 2030'da bir araca bir çiplet sistemi koymaya karar veren herkes çok kendine güvenmeli veya önemli riskler almaya istekli olmalı," diyor. "Bu, yerleşik otomotiv dünyasıyla uyuşmuyor. Öte yandan Asyalı üreticilerin burada risk alma olasılığı daha yüksek."

Artık karar verildi

Yine de, 2033 civarında başlayan bir pazar girişinin gerçekçi olduğunu düşünüyor. Bart Placklé de benzer şekilde iyimser, "2030 civarında" bir üretim başlangıcı öngörüyor. Bu kulağa çok uzak geliyor, diyor. "2028 veya 2029'da pazara girmesi planlanan araçlar için kritik mimari kararlar şu anda, 2025'te alınıyor."

Heinig gibi Placklé de çiplet sistemlerinin başlangıçta yalnızca üst düzey segmentte, "özellikle yüksek bilgi işlem gücünün gerektiği yerlerde - örneğin otonom sürüş için Seviye 3 veya Seviye 4 işlevselliği veya özellikle zorlu kabin içi sistemler için - kullanılmasını bekliyor. Çipletler zaten tam da bu alanlarda net avantajlar sunuyor."