Dans le monde en évolution rapide des semi-conducteurs, la technologie des chiplets apparaît aujourd’hui comme un concept révolutionnaire qui répond à de nombreux défis auxquels sont confrontées les conceptions monolithiques traditionnelles de puces-systèmes (SoC). Alors que la loi de Moore semble s’approcher de ses limites, l'industrie des semi-conducteurs recherche en effet des solutions innovantes pour augmenter les performances et les fonctionnalités sans forcément augmenter la densité des transistors sur les puces.

Dans ce cadre, les chiplets offrent une voie prometteuse en offrant flexibilité, modularité, possibilité de personnalisation, éco-efficacité et rentabilité économique dans la conception et la fabrication des puces. C’est du moins ce qu’affirme dans un récent rapport (*) la société d’études IDTechEx qui anticipe un marché mondial de 411 millions de dollars pour les chiplets d’ici à 2035, dopé par les exigences en traitements à haute performance exprimées par des secteurs comme les centres de données et l’intelligence artificielle (IA). Des entreprises comme AMD et Intel ont été à l'avant-garde de cette technologie, précise l’analyste, avec des produits comme les processeurs Epyc d'AMD et le processeur graphique (GPU) pour centre de données Ponte Vecchio d'Intel qui illustrent le potentiel des chiplets pour augmenter le nombre de cœurs tout en intégrant diverses fonctionnalités.

Le concept de base des chiplets, rappelons-le, consiste à déconstruire un circuit intégré monolithique en blocs fonctionnels distincts, à transformer ces blocs en chiplets séparés, puis à les réassembler au niveau du packaging. L'objectif ultime d'une puce bâtie sur des chiplets est de maintenir ou d'améliorer les performances tout en réduisant les dépenses globales de production par rapport aux circuits intégrés monolithiques traditionnels. Chaque chiplet est toutefois conçu pour fonctionner en conjonction avec d'autres, ce qui nécessite une co-optimisation dans la conception.

Pourquoi les chiplets gagnent du terrain

Le ralentissement de la loi de Moore a rendu de plus en plus difficile l'ajout de transistors supplémentaires sur une surface de silicium limitée. Les efforts des fabricants de semi-conducteurs se sont donc portés vers l'amélioration de la densité de fonctions, un domaine dans lequel la conception des chiplets excelle. L'adoption de la technologie des chiplets se trouve aussi accélérée par sa capacité à résoudre plusieurs limitations critiques inhérentes aux conceptions de puces monolithiques traditionnelles.

Selon l'analyste, l'un des avantages de cette approche est sa capacité à surmonter des contraintes telles que la taille du réticule et le « memory wall » (la puissance de calcul augmentant beaucoup plus vite que la latence mémoire), contraintes qui entravent traditionnellement les performances et l'échelonnabilité des composants à semi-conducteurs. En modularisant les fonctions des puces en chiplets discrets, les fabricants peuvent optimiser l'utilisation des matériaux semi-conducteurs et des processus de gravure de manière plus efficace.

En outre, précise IDTechEx, les chiplets peuvent mieux optimiser les espaces en bordure de plaquettes de silicium avec des taux de défauts plus faibles, espaces qui sont souvent sous-utilisés dans les conceptions de puces conventionnelles, en particulier dans les SoC de grandes dimensions qui intègrent un nombre croissant de fonctions.

Par ailleurs, les chiplets discrets peuvent être testés et validés individuellement avant intégration. En conséquence, le rendement de fabrication augmente, pour une meilleure qualité en sortie de production et des coûts unitaires réduits. Enfin, les chiplets garantissent un processus de conception plus flexible en permettant l'intégration de diverses fonctionnalités adaptées à des applications spécifiques sans qu’il y ait besoin de redesigner des puces entièrement nouvelles. Cette flexibilité réduit le temps et les coûts de développement et permet une adaptation rapide aux exigences technologiques en constante évolution, conclut la société d’études.

Un autre avantage est avancé par IDTechEx. La nature des chiplets permet aux fabricants de s'approvisionner auprès de plusieurs fournisseurs dans diverses régions. Cette diversification réduit la dépendance à un seul fournisseur ou à une seule zone géographique, améliorant ainsi la résilience de la chaîne d'approvisionnement. Dans un contexte de tensions géopolitiques et de restrictions commerciales, la technologie des chiplets offre donc un avantage stratégique en atténuant les risques associés aux ruptures d'approvisionnement.

Collectivement, tous ces facteurs font de la technologie des chiplets une option attrayante pour les fabricants qui cherchent à améliorer les performances tout en maintenant l'efficacité économique. La nature modulaire des chiplets garantirait une innovation et une personnalisation rapides, répondant aux besoins spécifiques du marché tout en réduisant les délais et les coûts de développement.

Si les chiplets offrent de nombreux avantages, ils présentent également de nouveaux défis, nuance IDTechEx. L'intégration de plusieurs chiplets nécessite des technologies et des normes d'interconnexion avancées pour assurer une communication sans couture entre les composants au sein d’un même package. La gestion thermique est un autre domaine critique, car une densité de fonctions accrue peut entraîner une surchauffe si elle n'est pas correctement gérée. Ces défis ouvrent des opportunités pour divers acteurs de la chaîne d'approvisionnement. Par exemple, différentes zones du boîtier d’un design reposant sur des chiplets peuvent nécessiter des types distincts de matériaux de sous-remplissage (underfill) pour répondre à des besoins spécifiques, par exemple pour protéger les chiplets eux-mêmes en fournissant un support mécanique et une stabilité thermique, ou pour protéger les fils et les billes de soudure fragiles qui relient les chiplets, évitant ainsi des problèmes tels que le délaminage ou la séparation. Selon l’analyste, cette exigence crée une demande pour des matériaux innovants qui améliorent la fiabilité et les performances.

(*) Le rapport d'IDTechEx s'intitule "Chiplet Technology 2025-2035: Technology, Opportunities, Applications".