Chiplet Actuary: Ein quantitatives Kostenmodell und eine Erkundung der Multi-Chiplet-Architektur

Core Concepts

Durch Partitionierung eines monolithischen Chips in mehrere Chiplets können die Gesamtkosten eines VLSI-Systems durch Verbesserung der Ausbeute, Wiederverwendung von Chiplets und Heterogenität reduziert werden.

Abstract

Das Papier präsentiert ein quantitatives Kostenmodell namens "Chiplet Actuary", um die Kosten von monolithischen SoCs und Multi-Chip-Integrationssystemen zu vergleichen. Das Modell berücksichtigt verschiedene Aspekte wie Ausbeute, Verpackungskosten, Wiederverwendung und Heterogenität.
Die Autoren zeigen, dass Multi-Chip-Architekturen dann von Vorteil sind, wenn die Kosten für Chipdefekte die Gesamtkosten der Verpackung übersteigen. Je größer das Chip-Areal ist, desto höher ist der Kostenvorteil. Eine feinere Granularität der Chiplets bringt jedoch nur marginale Zusatzvorteile.
Für einzelne Systeme ist ein monolithisches SoC oft die bessere Wahl, es sei denn, die Produktionsmenge ist groß genug, um die Mehrkosten der Chiplet-Entwicklung zu amortisieren. Verschiedene Chiplet-Wiederverwendungsschemen wie SCMS, OCME und FSMC werden analysiert, um die Kostenvorteile zu maximieren.
Trotz aller Vorteile kann Multi-Chip-Integration den Fortschritt von Moores Gesetz nicht grundlegend verlängern. Für Hochleistungssysteme, die nahe an der Moore-Grenze liegen, sind weiterhin fortschrittliche Verpackungstechnologien wie InFO und 2.5D erforderlich, die jedoch immer noch an schlechter Ausbeute und Flächenbegrenzung leiden.

Stats

Die Herstellungskosten eines 800 mm² großen Chips in 5 nm Technologie machen mehr als 50% der Gesamtkosten eines monolithischen SoCs aus.
Für ein 900 mm² großes 7 nm Chip-System machen die Verpackungskosten (einschließlich Ausschuss) etwa 50% der Gesamtkosten aus.

Quotes

"Multi-Chip-Integration ist als Erweiterung von Moores Gesetz weithin anerkannt."
"Ohne sorgfältige Bewertung kann die Übernahme einer Multi-Chiplet-Architektur sogar zu noch höheren Kosten führen."

Key Insights Distilled From

Chiplet Actuary

by Yinxiao Feng... at arxiv.org 04-10-2024

https://arxiv.org/pdf/2203.12268.pdf

Deeper Inquiries

Wie können die Kosten für fortschrittliche Verpackungstechnologien wie InFO und 2.5D weiter gesenkt werden, um ihre Leistungsvorteile besser nutzen zu können?

Um die Kosten für fortschrittliche Verpackungstechnologien wie InFO und 2.5D weiter zu senken und ihre Leistungsvorteile besser zu nutzen, können verschiedene Ansätze verfolgt werden:

Skaleneffekte nutzen: Durch eine erhöhte Produktion und eine breitere Akzeptanz dieser Technologien können Skaleneffekte realisiert werden, die zu niedrigeren Herstellungskosten führen.

Optimierung des Fertigungsprozesses: Kontinuierliche Verbesserungen im Fertigungsprozess können die Effizienz steigern und die Ausschussrate verringern, was zu Kosteneinsparungen führt.

Materialkosten senken: Die Identifizierung kostengünstigerer Materialien oder alternative Materialquellen kann die Gesamtkosten der Verpackungstechnologien reduzieren.

Designoptimierung: Durch eine verbesserte Designoptimierung können Material- und Produktionskosten gesenkt werden, ohne die Leistungsfähigkeit der Verpackungstechnologien zu beeinträchtigen.

Partnerschaften und Kooperationen: Zusammenarbeit mit Zulieferern und Partnern, um bessere Einkaufskonditionen zu erzielen und gemeinsam an kosteneffizienten Lösungen zu arbeiten.

Forschung und Entwicklung: Investitionen in Forschung und Entwicklung, um innovative Ansätze zur Kostensenkung bei fortschrittlichen Verpackungstechnologien zu entwickeln, z. B. neue Fertigungstechniken oder Materialien.

Durch die Implementierung dieser Maßnahmen können die Kosten für fortschrittliche Verpackungstechnologien reduziert werden, was es der Halbleiterindustrie ermöglicht, ihre Leistungsvorteile besser zu nutzen.

Welche alternativen Ansätze zur Chiplet-Wiederverwendung jenseits der untersuchten Schemata könnten zusätzliche Kostenvorteile bringen?

Abgesehen von den untersuchten Schemata wie SCMS, OCME und FSMC gibt es weitere alternative Ansätze zur Chiplet-Wiederverwendung, die zusätzliche Kostenvorteile bringen könnten:

Modularer Ansatz: Die Entwicklung eines modularen Ansatzes, bei dem verschiedene Chiplets in einem Baukastensystem flexibel kombiniert werden können, um eine Vielzahl von Systemen zu erstellen. Dies ermöglicht eine effiziente Wiederverwendung von Chiplets in verschiedenen Konfigurationen.

Adaptive Chiplet-Integration: Ein Ansatz, bei dem die Chiplets je nach Bedarf dynamisch in verschiedenen Systemen eingesetzt werden können. Dies ermöglicht eine optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen und eine effiziente Wiederverwendung von Chiplets.

Heterogene Chiplet-Integration: Die Integration von heterogenen Chiplets mit unterschiedlichen Technologien und Funktionen in einem System. Durch die gezielte Kombination von spezialisierten Chiplets können zusätzliche Leistungsvorteile und Kosteneinsparungen erzielt werden.

Cloud-basierte Chiplet-Wiederverwendung: Die Schaffung einer Cloud-Plattform für die Wiederverwendung von Chiplets, auf der Entwickler Chiplets aus einer Bibliothek auswählen und in ihren Designs integrieren können. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung vorhandener Ressourcen und eine kostengünstige Entwicklung von Systemen.

Durch die Exploration und Implementierung dieser alternativen Ansätze zur Chiplet-Wiederverwendung können zusätzliche Kostenvorteile realisiert werden, die die Effizienz und Wirtschaftlichkeit in der Halbleiterindustrie weiter verbessern.

Wie können die Erkenntnisse aus dieser Kostenanalyse genutzt werden, um neue Geschäftsmodelle und Ökosysteme für die Halbleiterindustrie zu entwickeln?

Die Erkenntnisse aus dieser Kostenanalyse können genutzt werden, um neue Geschäftsmodelle und Ökosysteme für die Halbleiterindustrie zu entwickeln, indem sie folgende Maßnahmen umsetzen:

Chiplet-as-a-Service (CaaS): Basierend auf den Kosteneinsparungen und Effizienzgewinnen durch Chiplet-Wiederverwendung können Unternehmen ein CaaS-Modell entwickeln, bei dem Chiplets als Service angeboten werden. Dies ermöglicht es Kunden, maßgeschneiderte Systeme zu erstellen, ohne die gesamte Chip-Entwicklung durchführen zu müssen.

Ökosystem für Chiplet-Entwicklung: Die Schaffung eines Ökosystems, das die Zusammenarbeit zwischen Chiplet-Entwicklern, Systemdesignern und Herstellern fördert. Durch die Bereitstellung von Plattformen und Ressourcen für die Chiplet-Entwicklung können Innovationen beschleunigt und die Time-to-Market verkürzt werden.

Chiplet-Marktplatz: Die Einrichtung eines Marktplatzes für Chiplets, auf dem Entwickler Chiplets kaufen, verkaufen und tauschen können. Dies schafft eine dynamische Umgebung für die Chiplet-Wiederverwendung und fördert die Zusammenarbeit in der Branche.

Integrierte Systemlösungen: Die Entwicklung von integrierten Systemlösungen, die auf der effizienten Wiederverwendung von Chiplets basieren. Durch die Bereitstellung von vorkonfigurierten Systemen können Unternehmen schnell auf sich ändernde Anforderungen reagieren und kosteneffiziente Lösungen anbieten.

Durch die Anwendung dieser Erkenntnisse können neue Geschäftsmodelle und Ökosysteme in der Halbleiterindustrie entstehen, die Innovationen fördern, die Effizienz steigern und die Wettbewerbsfähigkeit stärken.