Chiplets & heterogene Integration

Ein klassisches System-on-Chip (SoC) integriert sämtliche Funktionsblöcke – CPU-Kerne, GPU, I/O-Controller, Speicherinterfaces – auf einem einzigen monolithischen Die. Der Chiplet-Ansatz zerlegt dieses SoC gezielt in mehrere kleinere, funktional abgegrenzte Dies („Disaggregation“), die anschließend über die bereits behandelten Advanced-Packaging-Verfahren (Interposer, Hybrid Bonding) wieder zu einem funktional zusammenhängenden System zusammengeführt werden.

Diese Zerlegung folgt in der Regel funktionalen Grenzen im Chipdesign, die ohnehin schon vorhanden sind: Rechenkerne, Speichercontroller, I/O-Blöcke und analoge Schaltungen sind im Chipdesign meist bereits als eigenständige, klar abgegrenzte Module (IP-Blöcke) organisiert. Der Chiplet-Ansatz macht diese logische Modularität physisch nutzbar, indem er sie auf separate Dies überträgt.

Der zentrale Vorteil liegt in der Fertigungsausbeute: Da die Defektwahrscheinlichkeit eines Chips überproportional mit seiner Fläche wächst, sinkt die Ausbeute eines großen monolithischen Dies drastisch schneller als die mehrerer kleiner Dies gleicher Gesamtfläche – dieser Zusammenhang folgt näherungsweise dem sogenannten Poisson-Ausbeutemodell, nach dem die Wahrscheinlichkeit eines defektfreien Chips exponentiell mit der Fläche abnimmt.

Ein defekter kleiner Chiplet-Baustein wird verworfen, während der Rest des Systems weiterverwendet werden kann – bei einem monolithischen Chip führt derselbe Defekt zum Totalausfall des gesamten, oft deutlich teureren Dies. Zusätzlich lässt sich, wie im Kapitel Grenzen der klassischen Integration angesprochen, jeder Chiplet-Baustein im für ihn wirtschaftlich und technisch optimalen Fertigungsknoten produzieren, statt den gesamten Chip auf den teuersten benötigten Prozess festzulegen – ein I/O-Chiplet etwa profitiert kaum von den neuesten, teuersten Logikprozessen und kann daher in einem älteren, günstigeren Knoten gefertigt werden, ohne die Gesamtperformance des Systems zu beeinträchtigen.

Auswirkung eines Defekts: monolithischer Die vs. Chiplet-Disaggregation