La tecnología de chiplets consiste en combinar múltiples unidades de silicio (chiplets) especializadas en un solo paquete, mejorando la eficiencia, escalabilidad y rendimiento de los chips. Esta innovadora arquitectura permite superar las limitaciones actuales de la Ley de Moore y abordar la creciente demanda de potencia de procesamiento en diversos sectores

La tecnología de semiconductores es, sin duda, un componente esencial de la sociedad moderna, ya que se encuentra en la base de numerosos dispositivos y sistemas que utilizamos a diario. En 2021, la industria de semiconductores alcanzó cifras récord, con la distribución de 1,15 billones de chips y ventas que superaron el medio billón de dólares a nivel mundial. Además, miles de nuevos diseños de chips entraron en el mercado, lo que demuestra su relevancia en el avance tecnológico actual.

Una arquitectura de chips semiconductores emergente, conocida como «sistema multi-die» o «diseño basado en chiplets», será crucial para satisfacer la creciente demanda de potencia de procesamiento en la próxima década. Esta nueva metodología presenta desafíos técnicos en todo el ecosistema de los semiconductores, lo que requiere repensar la forma en que se imaginan, diseñan y fabrican los productos. Sin embargo, este cambio también brinda oportunidades para la innovación en toda la cadena de valor. Los líderes empresariales que identifiquen casos de uso para estos chips avanzados podrán aprovechar su potencial para impulsar experiencias de cliente únicas y personalizadas.

Un desarrollo aún por explorar

A pesar de la importancia de esta tecnología, muchos empresarios no están al tanto de los últimos avances en el campo de los semiconductores. Según una encuesta reciente de MIT Technology Review Insights, el 62% de los directivos no mostraban interés en la tecnología multidie, la desconocían o solo la conocían parcialmente. Esto indica que hay una brecha de conocimiento en la comprensión de la tecnología de semiconductores y sus aplicaciones en diversas industrias.

Es crucial que ciertos sectores que dependen de los chips sigan de cerca los avances en la tecnología de semiconductores. Si hablamos de empresas de automoción se espera que el mercado global de semiconductores para automoción alcance los 129,3 mil millones de dólares en 2027, creciendo a una tasa compuesta anual del 10,7% desde 2020 (Grand View Research, 2020). Un ejemplo de aplicación es el sistema de asistencia al conductor Tesla Autopilot, que utiliza el chip Full Self-Driving (FSD) diseñado por Tesla y fabricado por Samsung. Este chip es capaz de procesar hasta 2300 imágenes por segundo, un rendimiento 21 veces mayor que el chip anterior de Tesla.

Para empresas de inteligencia artificial el mercado de chips de IA se estima en 25,6 mil millones de dólares en 2020 y se espera que alcance los 118,6 mil millones de dólares en 2027, con una tasa compuesta anual del 24,1% (Fortune Business Insights, 2021). Un ejemplo notable es el chip TPU (Tensor Processing Unit) de Google, diseñado específicamente para acelerar las operaciones de aprendizaje profundo y mejorar el rendimiento de sus servicios basados en IA, como el motor de búsqueda y Google Translate.

En un sector relacionado, como son las compañías de procesamiento de datos a hiperescala, Amazon Web Services (AWS) presentó en 2018 su chip Graviton, diseñado para ofrecer un rendimiento mejorado en la nube y reducir los costes de energía. Según Amazon, el chip Graviton2, lanzado en 2019, ofrece un rendimiento hasta un 40% superior en comparación con sus procesadores basados en x86 de generaciones anteriores.

Otro sector donde este componente es crucial es en el de dispositivos inteligentes. Se espera que el mercado global de dispositivos inteligentes alcance los 1,27 billones de dólares en 2026, creciendo a una tasa compuesta anual del 32,4% desde 2020 (Allied Market Research, 2021). Un ejemplo de dispositivo inteligente que utiliza chips avanzados es el Apple Watch Series 6, que integra el chip S6 SiP (System in Package) de Apple. Este chip, basado en la arquitectura de procesadores ARM, ofrece un rendimiento hasta un 20% superior al de su predecesor, permitiendo una mayor eficiencia energética y funciones avanzadas, como la monitorización del oxígeno en sangre.

El impacto y la disrupción de los avances en la tecnología de semiconductores basado en chiplets

Estos ejemplos y datos estadísticos destacan la importancia de la tecnología de semiconductores en diversos sectores y cómo los avances en este campo impulsan la innovación y el crecimiento en la economía global. Dado que semiconductores avanzados son fundamentales para las operaciones empresariales modernas, es esencial que, incluso los ejecutivos cuyas funciones no están directamente relacionadas con la tecnología, estén al tanto de las tendencias en el diseño de chips.

El diseño basado en chiplets o sistemas multi-die es una nueva tendencia en la industria de semiconductores que busca superar los desafíos técnicos y económicos que presenta la continua miniaturización de los chips conforme a la ya famosa Ley de Moore. Los chiplets ofrecen una solución modular que permite combinar diferentes bloques funcionales, o «tiles«, en un solo paquete, lo que facilita la creación de sistemas más potentes y eficientes.

Un ejemplo destacado de chips basados en chiplets es el procesador AMD Ryzen, que utiliza la arquitectura Zen. AMD ha adoptado la estrategia de chiplets para combinar diferentes núcleos de procesamiento en un solo paquete, permitiendo una mayor escalabilidad y flexibilidad en la fabricación de chips. Al usar chiplets, AMD puede fabricar núcleos de procesamiento en un proceso de fabricación avanzado y de menor tamaño, mientras que otros componentes, como el controlador de memoria, pueden fabricarse en un proceso más antiguo y menos costoso.

Otro ejemplo es el chip Intel Xeon Scalable, que también utiliza un enfoque basado en chiplets. Intel emplea la tecnología EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) para conectar múltiples chiplets de manera efectiva y eficiente, permitiendo así la creación de chips de alto rendimiento y baja latencia.

En cuanto a los datos del mercado, se espera que el mercado global de chiplets crezca a un ritmo rápido en los próximos años. Según un informe de MarketsandMarkets, el mercado de chiplets podría alcanzar los 5.800 millones de dólares para 2025, con una tasa compuesta anual de crecimiento (CAGR) del 56,7% durante el período de 2021 a 2025.

Ventajas y mejoras de la tecnología de chiplets

Desde el punto de vista técnico, el diseño basado en chiplets presenta varias ventajas, como:

• Flexibilidad en la producción: Los chiplets permiten a los fabricantes combinar diferentes componentes fabricados en diferentes procesos y tamaños de nodo. Esto facilita la producción y reduce los costes al permitir la reutilización de bloques de diseño y la fabricación de componentes específicos en procesos más adecuados y rentables.
• Mayor rendimiento y eficiencia energética: Los sistemas basados en chiplets pueden ofrecer mejoras en el rendimiento y la eficiencia energética al permitir una mayor integración de componentes en un solo paquete. Esto reduce la latencia y el consumo de energía en comparación con los sistemas tradicionales.
• Escalabilidad y personalización: El enfoque de chiplets facilita la creación de soluciones personalizadas y escalables, ya que diferentes chiplets pueden combinarse según las necesidades específicas de cada aplicación.
• Reducción del riesgo de fabricación: En lugar de fabricar un chip monolítico completo, los chiplets permiten dividir el diseño en partes más pequeñas y fáciles de fabricar. Esto reduce el riesgo de defectos en la fabricación y puede mejorar los rendimientos y la calidad general del producto.

Varios países y empresas están a la vanguardia de la tecnología de chiplets, liderando el desarrollo y la producción de estos sistemas innovadores. Algunos de los principales actores en este espacio incluyen:

• AMD: La empresa estadounidense AMD ha sido una de las pioneras en la adopción de la tecnología de chiplets con sus procesadores Ryzen basados en la arquitectura Zen, utilizando chiplets para combinar diferentes núcleos de procesamiento en un solo paquete.
• Intel: Intel también ha adoptado la tecnología de chiplets en sus procesadores Xeon Scalable, utilizando la tecnología EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) para conectar chiplets de manera eficiente y efectiva.
• Huawei: Huawei, a través de su subsidiaria HiSilicon, ha estado trabajando en el desarrollo de chips basados en chiplets para sus dispositivos y sistemas de comunicación. En 2020, Huawei presentó el chip Kunpeng 920, que utiliza la tecnología de chiplets para mejorar la escalabilidad y el rendimiento en servidores y centros de datos
• Samsung: Samsung es un jugador clave en la industria de semiconductores y ha estado explorando la tecnología de chiplets para mejorar sus productos y soluciones en áreas como dispositivos móviles, servidores y automoción. Samsung también colabora con otras empresas, como Tesla, en la fabricación de chips basados en chiplets.
• TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company): TSMC es el mayor fabricante de semiconductores del mundo y ha estado trabajando en la tecnología de chiplets y en el desarrollo de procesos de fabricación avanzados para la producción de estos sistemas. TSMC es un socio clave en la fabricación de chips para muchas empresas líderes, como AMD y Apple.

Aunque estos países y empresas están liderando la vanguardia de la tecnología de chiplets, también hay colaboraciones y esfuerzos en curso a nivel internacional para promover la adopción y el desarrollo de esta tecnología. Por ejemplo, el consorcio Open Domain-Specific Architecture (ODSA) es una iniciativa que busca desarrollar interfaces abiertas y estandarizadas para facilitar la adopción de la tecnología de chiplets en la industria de semiconductores. El consorcio cuenta con la participación de varias empresas líderes, incluidas Intel, Cisco, Xilinx y Arm.

Desafíos y oportunidades de mejora de esta tecnología

A pesar de las ventajas, los chiplets también presentan desafíos, como la necesidad de desarrollar tecnologías de interconexión eficientes y de alta velocidad, como EMIB de Intel o Infinity Fabric de AMD. Además, la adopción generalizada de chiplets requerirá la estandarización de interfaces y protocolos de comunicación entre los diferentes chiplets, así como la colaboración entre empresas y organizaciones en la industria de semiconductores. La interoperabilidad y la compatibilidad de chiplets de distintos fabricantes serán esenciales para asegurar la adopción exitosa de esta tecnología en una amplia gama de aplicaciones.

Otro desafío es el desarrollo de herramientas de diseño y software para facilitar la creación de sistemas basados en chiplets. Los ingenieros necesitarán acceso a herramientas de diseño electrónico (EDA) que permitan la simulación, verificación y optimización de sistemas multidie en un entorno de trabajo unificado. Esto implicará la actualización de las herramientas de diseño existentes y la creación de nuevas soluciones específicas para la arquitectura de chiplets.

La gestión térmica también representa un desafío para los sistemas basados en chiplets, ya que la concentración de componentes en un espacio reducido puede generar puntos calientes y aumentar las temperaturas de funcionamiento. Esto requiere innovaciones en materiales y soluciones de enfriamiento para garantizar la estabilidad y el rendimiento óptimo de los chips.

Por último, la adopción generalizada de chiplets también requerirá un cambio en la mentalidad de los profesionales de la industria y de los usuarios finales. A medida que los sistemas basados en chiplets comiencen a reemplazar a los chips monolíticos tradicionales en diversas aplicaciones, será necesario que los ingenieros, diseñadores y desarrolladores comprendan y se adapten a las ventajas y desafíos que presentan estos nuevos enfoques de diseño.

Avanzando para conquistar el siguiente reto tecnológico

Los chiplets representan una oportunidad significativa para superar los límites impuestos por la Ley de Moore y continuar impulsando el avance tecnológico en la industria de semiconductores. A pesar de los desafíos que plantea esta tecnología, como la necesidad de desarrollar tecnologías de interconexión eficientes y estandarizadas, herramientas de diseño adaptadas y soluciones de gestión térmica, la adopción de chiplets puede ofrecer ventajas significativas en términos de flexibilidad, escalabilidad, rendimiento y eficiencia energética en una amplia gama de aplicaciones y sectores.