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Que es ?
Un chiplet es
un circuito integrado pequeño y modular diseñado para realizar
una función específica. Se construye como un componente discreto y
sin empaquetar (die desempaquetado) que puede ser ensamblado
dentro de un paquete junto con otros chiplets. Esta combinación de
múltiples chiplets en un solo paquete forma un circuito integrado más
grande y complejo, como un System-on-Chip (SoC) o un módulo
multi-chip.
En esencia,
los chiplets ofrecen una alternativa modular a los SoCs monolíticos,
proporcionando mayor flexibilidad, eficiencia en costos y potencial para
mejorar el rendimiento en el diseño y la fabricación de circuitos integrados.
Punto claves (key points)
- Diseño Modular: Cada chiplet se centra en una tarea específica como procesamiento, memoria o E/S, lo que permite la creación de sistemas personalizados combinando diferentes chiplets según sea necesario.
- Integración Heterogénea: Los chiplets pueden fabricarse utilizando diferentes
procesos de fabricación, materiales y nodos., optimizando cada chiplet para
su función particular. Esto permite combinar lo mejor de diferentes tecnologías
en un solo paquete.
- Reutilización: Un
chiplet utilizado en un diseño puede incorporarse fácilmente en un
nuevo diseño junto con otros chiplets, reduciendo el esfuerzo
de verificación. y los costos de desarrollo.
- Mejora del Rendimiento (Yield): Al construir funciones en secciones de
oblea más pequeñas, los chiplets tienen un mayor rendimiento que
un paquete monolítico con un solo chip grande. Si un bloque falla, solo
necesita reemplazarse ese chiplet.
- Flexibilidad y Escalabilidad: Los diseñadores pueden mezclar y
combinar chiplets de su propia propiedad intelectual o de diferentes
proveedores. para crear productos con diferentes capacidades. Es
fácil actualizar o agregar nuevas funcionalidades intercambiando
o añadiendo chiplets.
- Empaquetado Avanzado: Múltiples chiplets se conectan en un solo paquete utilizando
interconexiones especializadas sobre un interposer o
mediante otras técnicas de empaquetado avanzado como la integración
2.5D y 3D. Esto asegura una comunicación de alta velocidad entre ellos.
- Abordar las Limitaciones Monolíticas: El uso de chiplets surge debido al crecimiento
constante en el tamaño de los chips y los problemas de rendimiento de
fabricación de los chips monolíticos. También ayuda a superar las
limitaciones del tamaño de la retícula y el muro de la memoria. La fabricación
de chips monolíticos grandes se vuelve económicamente menos viable a medida que
los nodos de fabricación avanzan.
- Computación Heterogénea: Los chiplets facilitan la integración de diferentes tipos de chips
(procesadores, memorias, FPGAs) en un solo paquete, lo que lleva a la computación
heterogénea
Chiplet vs Monolítico
A la derecha Chiplet y a la izquierda Monolítico
|
Característica |
Diseño Basado en
Chiplets |
Diseño Monolítico |
|
Integración |
Construido con múltiples circuitos integrados pequeños
(chiplets), cada uno con una función específica, ensamblados
en un solo paquete. Implica
la disgregación del SoC. |
Un circuito integrado completo fabricado en una única
pieza de material semiconductor (un solo die), integrando todas las
funciones. |
|
Modularidad y
Escalabilidad |
Ofrecen alta modularidad, fácil escalabilidad y
personalización. Permiten seleccionar y combinar chiplets
especializados. y utilizar mayor cantidad de memoria y
núcleos. Se consideran una tendencia dominante. |
Tienen menor flexibilidad y escalabilidad. La modificación
requiere rediseño completo. |
|
Rendimiento (Yield)
y Costos |
Generalmente tienen tasas de rendimiento (yield) más altas debido
a dies más pequeños. Un defecto en un chiplet no afecta al resto. Puede disminuir
los costos de producción y mejorar la eficiencia en la oblea. Pueden
ser rentables para nodos avanzados. |
La fabricación de chips grandes tiene menor rendimiento y
mayores costos. Un defecto puede inutilizar todo el chip. Los chips
pequeños pueden resultar en una fabricación más costosa. |
|
Rendimiento
(Performance) |
Puede haber mayor latencia en la comunicación entre chiplets.
El rendimiento se optimiza al usar elementos de procesamiento
personalizados. Se busca lograr latencias similares a los diseños
monolíticos con empaquetado avanzado. |
A menudo ofrecen rendimiento superior y menor latencia debido
a la proximidad de los componentes y la comunicación on-chip
más rápida. |
|
Eficiencia
Energética |
La eficiencia puede variar según la selección de chiplets. Permiten
la optimización de la energía por chiplet y pueden tener
una densidad de potencia reducida. |
Pueden ser ideales para priorizar la eficiencia energética y
lograr menor consumo. Sin embargo, pueden concentrar
mayor potencia de disipación. |
|
Flexibilidad y
Personalización |
Ofrecen mayor flexibilidad al combinar diversos
chiplets de diferentes fabricantes e incluso con distintos nodos de
fabricación. Facilitan la integración heterogénea y la personalización
para aplicaciones específicas. |
Tienen menor flexibilidad y capacidad de personalización ya
que todas las funciones están en un solo die. |
|
Empaquetado e
Interconexiones |
Requieren interposers más complejos (como de silicio
o puentes de silicio) o empaquetado avanzado (2.5D, 3D) para
interconexiones de alta velocidad. Necesitan lógica adicional para la
comunicación entre chiplets. La falta de estandarización es
un desafío. |
El empaquetado es menos complejo y más económico. La
interconexión es inherentemente más sencilla. |
|
Fiabilidad |
La falla en un chiplet o su conexión puede
inhabilitar todo el dispositivo. Se busca mejorar la fiabilidad con
estándares como UCIe. La reutilización de chiplets ya calificados puede
reducir puntos de falla. |
Pueden tener mayor fiabilidad debido a la menor
cantidad de componentes y conexiones externas. Sin embargo, un fallo
en cualquier parte del chip puede inutilizarlo por completo. |
Arquitectura
Vista lateral del esquema donde se observa la cascada de interconexión
- Paquete (Package): Es el encapsulado físico que contiene los múltiples chiplets y las interconexiones.
- Interposer: Un sustrato (a menudo de silicio, pero también pueden ser "puentes" de silicio u orgánicos) ubicado dentro del paquete. Su función principal es proporcionar interconexiones eléctricas de alta densidad entre los diferentes chiplets.
- Chiplets (Chiplet A, Chiplet B, Chiplet C): Son los dies individuales y modulares, cada uno diseñado para una función específica (como una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento gráfico (GPU) o interfaces de entrada/salida (I/O)).
- Conexiones de Die a Die (Die-to-Die Interconnects): Son las vías de comunicación de alta velocidad entre los chiplets, facilitadas por el interposer. Estas conexiones son cruciales para el rendimiento del sistema.
- Conexiones al PCB: El paquete se conecta a la placa de circuito impreso (PCB) a través de pines o pads (a menudo utilizando tecnologías como BGA o LGA) para comunicarse con el resto del sistema electrónico.
Este
ejemplo muestra cómo múltiples chiplets especializados se
colocan y se interconectan en un paquete utilizando un interposer para
formar un circuito integrado más complejo. La idea clave es la modularidad y
la capacidad de combinar diferentes funcionalidades en un solo
dispositivo.
Algunos Ejemplos
- ProcesadoresAMD Ryzen (basados en la arquitectura Zen 2 y posteriores)
AMD ha sido pionera en el uso de chiplets en sus CPUs de escritorio y servidor, como la línea EPYC. Sus procesadores dividen la CPU en múltiples chiplets de núcleos de procesamiento y un chiplet de controlador de E/S.
- GPUs AMD
Radeon Instinct MI2003
AMD también ha aplicado el diseño de chiplets a sus unidades de procesamiento gráfico para centros de datos. - Intel
Meteor Lake
Este es un ejemplo de la adopción de la tecnología chiplet por parte de Intel en sus procesadores.
- Intel
Ponte Vecchio
Esta GPU para centros de datos de Intel utiliza múltiples chiplets para integrar diversas funcionalidades.
- Intel
Agilex FPGAs
La línea de FPGAs de Intel también utiliza la tecnología chiplet para expandir sus características.
- NVidia
H1001/B200
Esta GPU de alto rendimiento de NVIDIA es otro ejemplo conocido que utiliza la arquitectura de chiplets. - Apple
Silicon (chips de Apple)
Los chips diseñados por Apple, como los de la serie A y M, también utilizan un enfoque modular que se alinea con el concepto de chiplets.
- AWS
Graviton 4
Los procesadores diseñados por Amazon también se basan en la tecnología de chiplets.
- Ayar Labs' TeraPHY optical I/O chiplet
Chiplet especializado en funcionalidades de E/S óptica.
- Marvell's
Mochi
Switch construido por Marvell utilizando tecnología de interconexión chip-to-chip.
- Décadas
de 1980 y 1990: Orígenes con MCM y SiP.
Las tecnologías de Módulos Multi-Chip (MCMs) y Sistemas en Paquete (SiP) sentaron las bases al combinar múltiples chips semiconductores en un solo paquete. El concepto de MCM no es reciente y ha sido utilizado durante muchos años.
- Década
de 2000: Avances en empaquetado 3D e interconexiones de silicio.
Esta época vio progresos en las técnicas de empaquetado 3D y la introducción de interposers de silicio, que mejoraron el rendimiento y la integridad de la señal.
- 2006:
Acuñación del término "chiplet".
Acuñado por el profesor John Wawrzynek de la Universidad de California, Berkeley, como parte del Proyecto RAMP (research accelerator for multiple processors).
- Alrededor
de 2017: Adopción temprana en procesadores comerciales.
AMD anunció su arquitectura Zen en 2017, que se considera uno de los primeros ejemplos de uso de chiplets en procesadores comerciales.
- Post-2017: Adopción más amplia y desarrollos significativos.
AMD se convirtió en un pionero en la adopción de chiplets en sus líneas de procesadores Ryzen (con arquitectura Zen 2 y posteriores) y EPYC (primera y segunda generación) así como en sus GPUs. Intel también comenzó a utilizar la tecnología chiplet en productos como Meteor Lake, Ponte Vecchio, y sus FPGAs Agilex.
- En 2022, se introdujo el estándar UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) con el objetivo de crear protocolos comunes para la interoperabilidad de chiplets.
- Futuro: Se
proyecta que el mercado global de chiplets alcanzará los 411 mil
millones de dólares estadounidenses para 2035, impulsado por la demanda de
computación de alto rendimiento y la inteligencia artificial. Se anticipa
que los diseños multi-die se volverán predominantes, con estimaciones de que el
50% de los nuevos diseños de chips HPC serán multi-die en 2025.
Una Raspberry PI es un Chiplet?
- Sistema Completo: Una Raspberry Pi es una computadora de placa única (SBC) completa. Contiene en una sola placa todos los componentes necesarios para funcionar como una computadora, incluyendo el procesador principal, la memoria, los puertos de E/S y otros periféricos.
- Basada en un SoC: El componente principal de una Raspberry Pi es generalmente un System-on-Chip (SoC). Un SoC es un circuito integrado monolítico que integra todos o la mayoría de los componentes de una computadora (como la CPU, la GPU, la memoria y los controladores de periféricos) en un único chip de silicio.
- No es un
Bloque Modular para Otro Chip: Un chiplet, en cambio, está diseñado para ser uno de varios
bloques modulares (dies discretos) que se ensamblan en un paquete
avanzado utilizando tecnologías como interconexiones en interposers
(2.5D) o apilamiento vertical (3D). La idea detrás de los chiplets es dividir
un sistema complejo (que podría ser un SoC grande) en unidades funcionales más
pequeñas y fabricarlas por separado para luego interconectarlas.
Referencias
- https://www.keysight.com/blogs/en/tech/sim-des/2024/2/8/what-is-a-chiplet-and-why-should-you-care#:~:text=A%20chiplet%20is%20a%20small,onto%20a%20single%20monolithic%20chip.
- https://en.m.wikipedia.org/wiki/Chiplet
- https://www.synopsys.com/glossary/what-are-chiplets.html
- https://www.arm.com/glossary/chiplet#:~:text=A%20chiplet%20is%20a%20silicon%20die%20designed,and%20easily%20assembled%20into%20a%20silicon%20solution.
- https://www.idtechex.com/en/research-report/chiplet-technology-2025/1041#:~:text=It%20provides%20insights%20into%20technology,improving%20yields%20and%20reducing%20costs.
- https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/an-overview-of-chiplets-for-systems-designers
- https://www.imec-int.com/en/articles/chiplets-piecing-together-next-generation-chips-part-i
- https://semiengineering.com/knowledge_centers/packaging/advanced-packaging/chiplets/
- https://www.pcbaaa.com/chiplet-what-it-is-and-how-does-it-develop/
- https://www.guiahardware.es/chiplet-vs-chip-monolitico/
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