Chiplets: La Nuova Frontiera dei Semiconduttori che Sta Rivoluzionando la Tecnologia

Alessandro Rugolo : 21 Dicembre 2024 08:30

Il termine Chip è entrato nel linguaggio comune ormai da diversi anni, la stessa cosa non si può dire per il termine “Chiplet“, ancora relegato principalmente nell’ambiente tecnico.

Eppure il loro uso è sempre più pervasivo e le tecnologie per la produzione e l’interconnessione sempre più strategiche. Ecco perché è opportuno capire cosa sono e perché sono importanti, cosa che cercheremo di fare con questo articolo.

Cosa sono i chiplets

Un chiplet è una parte di un sistema a semiconduttori, progettato per svolgere una funzione specifica all’interno di un chip più grande. Per esempio può trattarsi di un core di processore o un blocco di memoria. I chiplets vengono collegati generalmente attraverso interfacce specializzate ad alta velocità.

In pratica, i chiplets sono dei “mattoni” modulari che possono essere combinati per creare un chip più complesso e collegati tramite tecnologie particolari.

La principale differenza rispetto ai chip monolitici, dove tutti i componenti sono integrati in un singolo pezzo di silicio (wafer), è che i chiplets permettono una maggiore flessibilità e personalizzazione.

Ogni chiplet può essere fabbricato separatamente utilizzando il processo di produzione più appropriato, il che consente di ridurre i costi e di adattarsi meglio alle specifiche richieste di diversi mercati o clienti.

Inoltre, la modularità dei chiplets consente di aggiornare, sostituire o migliorare singoli componenti senza dover riprogettare l’intero chip, cosa che risulta molto vantaggiosa soprattutto nei settori ad alta innovazione come il computing ad alte prestazioni, l’Intelligenza Artificiale e il 5G.

L’introduzione dei chiplets ha il potenziale di rivoluzionare l’industria dei semiconduttori, promuovendo una maggiore interoperabilità e riducendo il tempo di sviluppo per nuove tecnologie.

I chiplets sono stati introdotti verso la metà degli anni 2010, in risposta alla crescente complessità di progettazione dei chip. I produttori come AMD, Intel e TSMC hanno adottato tecniche di progettazione basate su chiplets per affrontare le sfide di scalabilità e costi di produzione, specialmente nel campo dei processori ad alte prestazioni.

Perchè i chiplets

Lo sviluppo dei chiplets è stato guidato da una combinazione di fattori legati alle sfide tecniche e ai costi di produzione nel settore dei semiconduttori. Le motivazioni che continuano a spingere in questa direzione sono tante.

In primo luogo i limiti fisici della legge di Moore. La legge di Moore, che predice un aumento esponenziale della densità dei transistor ogni due anni, ha iniziato a non essere più valida a causa dei limiti fisici e tecnici della miniaturizzazione. I chiplets offrono una soluzione, consentendo ai produttori di raggiungere prestazioni migliori senza dover ridurre ulteriormente la dimensione dei transistor.

I chiplets consentono la creazione di chip personalizzati e ottimizzati per specifiche funzioni, ovvero flessibili e modulari, senza dover riprogettare completamente l’intero chip. Questa modularità riduce i tempi di sviluppo e consente un più facile aggiornamento dei singoli componenti.

Il costo di produzione dei chiplets è inferiore a quello per la produzione di chip monolitici ad alte prestazioni . I chiplets sono fabbricati separatamente, consentendo ai produttori di usare processi di produzione più efficienti per ogni singolo modulo.

L’evoluzione delle applicazioni tecnologiche ad alte prestazioni, come il cloud computing, l’IA e il 5G, richiedono chip sempre più potenti e specializzati. I chiplets offrono una soluzione per rispondere a queste esigenze, combinando moduli specializzati per ogni funzione, migliorando prestazioni e flessibilità.

I chiplets offrono una maggiore scalabilità, consentendo di progettare chip di qualunque dimensione partendo da moduli di piccole dimensioni. Questo approccio è vantaggioso per i produttori che devono rispondere alla domanda crescente di chip con prestazioni sempre più elevate senza vedere aumentare drasticamente i costi.

Oltre alle motivazioni economiche e di prestazioni, ci sono anche considerazioni energetiche e di dissipazione del calore che hanno contribuito allo sviluppo di questa tecnologia.

I chiplets possono essere progettati per svolgere specifici compiti in modo più efficiente rispetto ai chip monolitici, riducendo il consumo energetico. Ad esempio, possono essere costruiti con tecnologie diverse ottimizzate per particolari funzioni (come il calcolo o la gestione della memoria), consentendo a ciascun modulo di operare con una maggiore efficienza energetica.

Un altro vantaggio riguarda la gestione del calore. Con i chip monolitici, l’elevata densità di componenti può portare a una concentrazione di calore in una sola area, cosa difficile da gestire, specialmente nei processori ad alte prestazioni. I chiplets, al contrario, permettono di separare le funzioni in moduli diversi, che possono essere fisicamente distribuiti. Questo facilita una migliore dissipazione del calore, riducendo il rischio di surriscaldamento e migliorando l’affidabilità complessiva del sistema.

In sintesi, la combinazione di necessità economiche e tecniche e la crescente domanda di soluzioni più flessibili e scalabili ha spinto lo sviluppo dei chiplets rendendoli una delle innovazioni più promettenti nel settore dei semiconduttori.

La Rivoluzione di AMD, Intel e NVIDIA per Data Center, IA e Dispositivi Mobili

AMD è tra i pionieri di questa tecnologia: i processori Ryzen e EPYC utilizzano chiplets per ottimizzare prestazioni e costi. Ad esempio, Ryzen combina chiplets dedicati al calcolo con un interposer che gestisce la comunicazione tra i vari moduli, migliorando l’efficienza energetica e aumentando la flessibilità progettuale.

Intel, invece, ha adottato approcci innovativi come Foveros e EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge). Foveros è una tecnologia di impilamento che consente di combinare chiplets con diverse funzionalità su più livelli, riducendo spazio e migliorando prestazioni termiche. EMIB, invece, è una soluzione che collega diversi chiplets attraverso un’interfaccia ad alta velocità, utilizzata nei processori Intel per applicazioni grafiche e server.

I settori più interessati dalle tecnologie dei chiplets sono tanti, in particolare il maggior impatto sembra essere sul mondo dei Data Center dove prestazioni elevate e scalabilità sono essenziali. L’architettura chiplet consente di creare soluzioni più potenti ed efficienti, riducendo al contempo i costi di produzione.

Nel Cloud Computing, la flessibilità e la modularità dei chiplets permettono di adattare i chip alle diverse esigenze, migliorando la gestione dei carichi di lavoro e ottimizzando l’efficienza energetica.

Nel campo dell’Intelligenza Artificiale i chiplets consentono la progettazione di hardware specifici per l’IA, combinando unità di elaborazione ottimizzate per il training e l’inferenza di modelli. NVIDIA, ad esempio, utilizza architetture modulari per le sue GPU avanzate.

Ed infine nello sviluppo di dispositivi mobili i chiplets possono essere sfruttati per migliorare la gestione delle funzioni integrate, come calcolo, grafica e connettività, ottimizzando le prestazioni e riducendo il consumo energetico.

Qual è l’impatto strategico dei chiplets nel Mondo?

Il mercato globale dei chiplet è dominato da alcune delle principali potenze tecnologiche e aziende leader nel settore dei semiconduttori. Gli Stati Uniti sono in prima linea con colossi come AMD, Intel e NVIDIA, che stanno integrando i chiplet nelle loro architetture per aumentare l’efficienza e ridurre i costi di produzione. Taiwan gioca un ruolo cruciale grazie a TSMC, il più grande produttore di semiconduttori al mondo, che sta investendo in capacità produttive per supportare la domanda crescente di chiplet modulari. Anche la Corea del Sud, con Samsung, sta accelerando lo sviluppo di tecnologie innovative in questo campo.

La Cina, nonostante le restrizioni commerciali e le tensioni geopolitiche, sta cercando di sviluppare una catena di approvvigionamento nazionale per competere con i leader globali.

In Europa, aziende come ASML nei Paesi Bassi forniscono le attrezzature avanzate necessarie per la produzione di chiplet, mentre paesi come la Germania puntano a costruire fabbriche di semiconduttori per rafforzare l’autonomia tecnologica.

La Francia, come altri paesi europei, sta cercando di rafforzare la propria presenza nella catena del valore dei semiconduttori, inclusi i chiplet. L’interesse francese è evidenziato da piani di investimento pubblico e privato per lo sviluppo di infrastrutture avanzate e la ricerca nel settore. Inoltre, la Francia è parte del programma europeo Chips Act, che mira a creare un ecosistema autonomo per la produzione di semiconduttori nell’Unione Europea, con l’obiettivo di aumentare la produzione continentale al 20% del totale mondiale entro il 2030.

Ad esempio, l’azienda italo-francese STMicroelectronics sta esplorando tecnologie avanzate nei semiconduttori modulari per competere a livello globale.

E in Italia?

L’Italia ha visto un impulso significativo nel settore dei semiconduttori grazie agli investimenti strategici, come quelli previsti a Novara. Questa città sta emergendo come un punto cruciale per lo sviluppo di tecnologie avanzate, grazie a progetti sostenuti da aziende globali come Silicon Box e dallo Stato. Gli investimenti puntano non solo a costruire infrastrutture produttive all’avanguardia ma anche a creare nuove opportunità di lavoro. Si parla di centinaia di posti di lavoro diretti e indiretti, con un impatto significativo sull’economia locale.

La presenza di un distretto tecnologico a Novara contribuisce a consolidare il ruolo dell’Italia nel panorama europeo dei semiconduttori, offrendo un’opportunità unica per giovani laureati e professionisti esperti.

Questo progetto riflette una sinergia tra settore pubblico e privato, alimentata da iniziative europee come l’European Chips Act e dai fondi del PNRR, che mirano a fare dell’Italia un hub strategico per l’innovazione tecnologica.

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