El crecimiento sin precedentes y la demanda de computación en el edge (borde de la red) y computación de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés) están generando nuevas oportunidades y desafíos significativos para el diseño de chips personalizados. En una conversación con Oliver Jones, CEO de Sondrel, se exploraron algunas estrategias clave para enfrentar estas necesidades.
El diseño de chips personalizados es un proceso multifacético que involucra múltiples consideraciones, desde la eficiencia energética y los compromisos de rendimiento hasta las complejidades de fabricación y empaquetado. Uno de los principales desafíos en este campo es gestionar los compromisos entre potencia, rendimiento y área (PPA, por sus siglas en inglés).
Los diseñadores deben equilibrar cuidadosamente estos factores para garantizar que el producto final cumpla con los estrictos requisitos de aplicaciones modernas como la inteligencia artificial (IA) en el edge o las cargas de trabajo de HPC. Además, deben navegar por interrupciones geopolíticas y restricciones en la cadena de suministro, que pueden retrasar la producción e incrementar costos.
Las startups y las empresas consolidadas también enfrentan obstáculos como recursos limitados, falta de acceso a instalaciones de fabricación avanzadas y la intrincada cadena de suministro requerida para la producción. El papel de los proveedores especializados de ASIC es ofrecer experiencia en equilibrar la eficiencia energética, gestionar cadenas de suministro y optimizar la producción.
“Seleccionar un proveedor integral para manejar un proyecto completo de ASIC es mucho más desafiante que elegir una casa de diseño de ASIC. Se necesita un alto nivel de confianza”, señaló Jones.
En respuesta a estos desafíos, algunas empresas han adoptado el modelo integral (turnkey), que gestiona cada etapa del desarrollo del chip, desde el concepto inicial hasta la producción en masa. Este enfoque simplifica el proceso para los clientes, especialmente las startups que carecen de los recursos o la experiencia para desarrollar chips personalizados de forma independiente. Al integrar servicios como diseño arquitectónico, diseño físico y pruebas, los proveedores integrales reducen los riesgos y complejidades asociados con la producción de chips.
Por ejemplo, el ecosistema de socios de un proveedor integral, que incluye fundiciones como TSMC y GlobalFoundries, asegura una transición fluida desde el diseño hasta la fabricación. “Las startups a menudo tienen ideas fantásticas pero carecen de la capacidad y los recursos para traducirlas en hardware. Somos selectivos sobre con quién trabajamos, lo que nos permite ofrecer una atención más cercana y un mejor servicio a cada cliente”, explicó Jones.
Estudio de Caso: IA en el Edge
En un caso específico, una startup de IA con sede en EE.UU., especializada en tecnología de reconocimiento de imágenes y video, necesitaba desarrollar un chip acelerador de IA para aplicaciones en el edge, como vigilancia y reconocimiento facial. Esto requería un diseño personalizado para abordar desafíos en arquitectura, empaquetado y gestión de la cadena de suministro, áreas particularmente desafiantes para una startup con recursos limitados.
Para este proyecto, Sondrel ayudó a la startup a identificar la necesidad de un paquete flip-chip CSP con un perfil ultra bajo de 2.5 milímetros para cumplir con las restricciones de espacio y rendimiento. Al reservar espacios de empaquetado con anticipación, el tiempo de entrega se redujo de 42 semanas a 12-16 semanas, acelerando el tiempo de llegada al mercado. El proyecto integró la propiedad intelectual (IP) de IA propia de la startup para entregar un chip confiable y eficiente que se convirtió en el núcleo del hardware del acelerador de IA.
Al aprovechar el ecosistema y la experiencia del proveedor, la startup logró desarrollar un chip de 16 nm FinFET en solo dos años.
El Papel de las Casas de Diseño Integral de Chips Personalizados
Las startups enfrentan desafíos únicos en el diseño de chips personalizados, a menudo luchando por acceder a los recursos y la experiencia necesarios para materializar sus ideas. Las limitaciones de recursos pueden dificultar definir los mejores compromisos de PPA o asegurar capacidad de fabricación. Además, las interrupciones en la cadena de suministro, ya sea por tensiones geopolíticas o volatilidad del mercado, pueden crear barreras significativas.
Las aplicaciones de IA en el edge, como vehículos autónomos, ciudades inteligentes y dispositivos IoT, requieren chips personalizados capaces de procesar grandes cantidades de datos localmente mientras minimizan el consumo de energía. De manera similar, las cargas de trabajo de HPC, incluidas simulaciones científicas y análisis de big data, demandan chips optimizados para rendimiento y escalabilidad.
“La IA en el edge y el HPC son donde vemos la mayor demanda”, afirmó Jones.
Dado el panorama en rápida evolución, la colaboración entre casas de diseño, fundiciones y socios del ecosistema es crítica. La capacidad de integrar nodos de proceso avanzados, soluciones innovadoras de empaquetado y estrategias robustas de cadena de suministro definirá el futuro del diseño de chips personalizados.
Para abordar estos problemas, los proveedores integrales han desarrollado enfoques agnósticos a las fundiciones que ofrecen mayor flexibilidad. Estos enfoques implican diseñar chips de manera que puedan ser fabricados en diferentes fundiciones sin estar atados a un único proveedor, permitiendo a las empresas adaptarse a capacidades de fabricación cambiantes y evitar cuellos de botella.
Manteniendo fuertes relaciones con múltiples fundiciones, los proveedores pueden asegurar asignaciones de obleas y soluciones avanzadas de empaquetado, reduciendo tiempos de entrega y minimizando riesgos. La selección del tipo correcto de empaquetado de chips juega un papel clave aquí, y los proveedores integrales ayudan a las empresas a adoptar las soluciones de empaquetado más innovadoras.
Empaquetado Avanzado e Iniciativas de Código Abierto
Si bien los modelos integrales ofrecen una solución valiosa, otras estrategias también están emergiendo para abordar los desafíos del diseño de chips personalizados. Las iniciativas de investigación colaborativa y las asociaciones público-privadas están jugando un papel cada vez más importante en la innovación. Por ejemplo, programas respaldados por gobiernos en Europa y América del Norte están financiando proyectos destinados a desarrollar semiconductores de próxima generación.
Las iniciativas de hardware de código abierto son otra vía prometedora. Al proporcionar una base compartida para el diseño de chips, estas iniciativas pueden reducir costos y acelerar los plazos de desarrollo, especialmente para startups. Además, los avances en herramientas de automatización de diseño están facilitando que las empresas optimicen los compromisos de PPA y agilicen el proceso de desarrollo.
Las soluciones innovadoras de empaquetado son un componente crítico del diseño moderno de chips, permitiendo a los fabricantes lograr niveles más altos de integración y rendimiento. Técnicas como el empaquetado flip-chip y el empaquetado a nivel de oblea están ganando popularidad para aplicaciones en IA en el edge y HPC.
El empaquetado flip-chip permite conexiones eléctricas directas entre el chip y el sustrato, reduciendo interferencias de señal y mejorando la gestión térmica. Por otro lado, el empaquetado a nivel de oblea integra el proceso de empaquetado directamente en la oblea, permitiendo un factor de forma más pequeño, mejor rendimiento y menores costos de producción. Estos métodos no solo mejoran el rendimiento, sino que también reducen el tamaño general y el consumo de energía de los chips.
Por ejemplo, en el caso mencionado anteriormente, el uso de un paquete flip-chip CSP con un perfil ultra bajo de 2.5 milímetros redujo significativamente los tiempos de entrega y mejoró el rendimiento del chip. Este ejemplo subraya la importancia de las innovaciones en empaquetado para satisfacer las demandas de aplicaciones de próxima generación.
A medida que la computación en el edge y el HPC continúan creciendo, la demanda de diseño de chips personalizados solo aumentará. El futuro de la industria de semiconductores estará moldeado por avances en tecnología de proceso, soluciones innovadoras de empaquetado y ecosistemas colaborativos. Las empresas que puedan abordar efectivamente los desafíos del desarrollo de chips personalizados estarán bien posicionadas para liderar en este mercado dinámico.
Para lograrlo, los actores de la industria deben priorizar la colaboración, invirtiendo en asociaciones que abarquen diseño, fabricación y gestión de la cadena de suministro. Al trabajar juntos, pueden superar las barreras de entrada y acelerar el desarrollo de chips que impulsan la próxima ola de innovación tecnológica.
El proceso de diseño de chips personalizados es un testimonio de la complejidad e ingenio necesarios para satisfacer las demandas de IA en el edge y HPC. A través de una combinación de estrategias innovadoras y esfuerzos colaborativos, la industria está redefiniendo lo posible, allanando el camino hacia un futuro donde la tecnología sigue empujando los límites del rendimiento y la eficiencia.