Von monolithischen Designs zum Chiplet-Baukasten Warum Arm die Chiplet-Architektur für einen offenen Halbleitermarkt vorantreibt

Anbieter zum Thema

Arm Ltd.

ARM Germany GmbH

MicroConsult Academy GmbH

Heitec AG

ISH Ingenieursozietät GmbH

Der KI-Hunger stellt neue Anforderungen an die Chipentwicklung. Monolithische SoCs stoßen dabei zunehmend an technische und wirtschaftliche Grenzen. Arm verspricht mit Chiplets eine Alternative.

Chiplets bestehen aus modularen, wiederverwendbaren Bausteinen, die sich zu individuellen System-on-Chip-Lösungen kombinieren lassen. Damit diese Architektur aber wirklich skaliert, braucht es verbindliche Standards. Genau daran arbeitet Arm mit dem Chiplet System Architecture (CSA)-Ansatz – einem offenen Rahmenwerk für interoperable und wiederverwendbare Chiplet-Komponenten.

Chiplets als Antwort auf spezialisierte KI-Anforderungen

„Letztlich werden sich Chiplets nur durchsetzen, wenn es für Softwareentwickler einfach ist, sie zu nutzen“, ist sich Eddie Ramirez von Arm sicher. Sie lassen sich gezielt auf konkrete Rechenaufgaben zuschneiden – etwa durch die Wahl spezialisierter Rechen- oder Speicherbausteine. KI-Workloads stellen dabei besondere Anforderungen: Ein Sprachmodell im Rechenzentrum benötigt andere Ressourcen als ein neuronales Netz in einem autonomen Fahrzeug oder ein Machine-Learning-Modul auf einem Edge-Device. Die Konsequenz ist eine Vielzahl unterschiedlicher Designpunkte, was sich kaum effizient mit klassischen SoCs abdecken lässt. Durch ihre modulare Struktur lassen sich Rechen-, Speicher- und I/O-Komponenten flexibel kombinieren.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 12 Bildern

Besonders in Rechenzentren stoßen klassische SoC-Architekturen an physikalische und wirtschaftliche Grenzen. Die Zahl der Parameter in KI-Modellen verdoppelt sich inzwischen im Rhythmus weniger Monate, während die Effizienzgewinne durch kleinere Strukturbreiten zunehmend stagnieren. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf rasant.

Für generische Chipsysteme wird es dadurch immer schwieriger, alle Workloads effizient abzudecken. Durch den Einsatz einzelner Funktionsbausteine entstehen neue Spielräume für maßgeschneiderte Rechenmodule.

Von semi-custom Designs zur modularen Wiederverwendung

Derzeit werden Chiplet-basierte Systeme meist als semi-custom Designs von einzelnen Herstellern umgesetzt. Dabei entwickelt ein Unternehmen alle benötigten Module selbst – ein aufwändiger Prozess, der Skaleneffekte kaum zulässt. Die Folge: hohe Entwicklungskosten, doppelte Qualifizierungsaufwände und geringe Flexibilität. Aus Sicht von Arm ist dieses Modell langfristig nicht tragfähig – vor allem unter dem Aspekt der Total Cost of Ownership (TCO).

„Wenn ein einzelner Anbieter alle Chiplets entwickelt, steigen die Kosten – und das TCO-Modell wird kaum tragfähig“, warnt Eddie Ramirez. Erst durch übergreifende Wiederverwendung – über Produktlinien, Generationen und Hersteller hinweg – entfalten Chiplets ihr wirtschaftliches Potenzial. Das senkt nicht nur TCO, sondern reduziert auch Entwicklungs- und Qualifizierungsaufwände deutlich.

Das Ziel: Wiederverwendung statt Einzelanfertigung – mit positiven TCO statt steigender Komplexität. Vergleichbar mit dem Prinzip der Plattform-Ökonomie könnte auch im Chipdesign gelten: Wer auf wiederverwendbare Bausteine statt auf exklusive Maßanfertigung setzt, senkt nicht nur Kosten, sondern beschleunigt Innovation. Chiplets würden damit zu dem, was Container für die Softwareentwicklung wurden: transportabel, standardisiert, kombinierbar. Das setzt eine durchgängig modulare Architektur voraus – mit klar definierten Schnittstellen, standardisierten Kommunikationsprotokollen und interoperablen Steuerungskomponenten. Das eröffnet neue Geschäftsmodelle, etwa einen offenen Markt für standardisierte Chiplet-Komponenten, die sich flexibel zu SoCs zusammenfügen lassen. Ramirez bringt es auf den Punkt: Die Branche brauche einen Markt, „in dem Chiplets als Produkte betrachtet werden und nicht als Einzellösungen“.

Der Weg zu einer offenen Chiplet-Architektur

Um das Ziel eines marktfähigen Chiplet-Baukastens zu erreichen, definiert Arm mit der CSA (Chiplet System Architecture) nicht nur elektrische Schnittstellen, sondern ein ganzheitliches Architekturmodell. Dieses umfasst mehrere Grundprinzipien, die in der CSA-Spezifikation verankert sind:

• No Hidden State: Alle internen Zustände der Chiplets müssen explizit dokumentiert sein, um eine zuverlässige Systeminitialisierung zu ermöglichen.

• Unified Discovery: Ein einheitliches Verfahren zur automatisierten Erkennung der Chiplets im System reduziert Integrationsaufwand.

• Scalable Boot: Die Systemstartprozesse müssen flexibel auf unterschiedliche Kombinationen von Chiplets reagieren können.

• Manageable Security: Sicherheitsfunktionen, etwa zur Authentifizierung oder Verschlüsselung, werden als systemweite Dienste gedacht.

Für die Umsetzung sorgt ein abgestuftes Kontrollmodell:

• Ein zentraler CSA Manager koordiniert die Systeminitialisierung und Firmwareverteilung.

• Jeder Chiplet besitzt einen lokalen Chiplet Controller, der Konfigurationsdaten entgegennimmt und sicherheitskritische Funktionen kapselt.

Dieses Architekturmodell soll es ermöglichen, Chiplets verschiedener Hersteller unter gemeinsamen Regeln in einem SoC zu integrieren – ohne proprietäre Speziallösungen. Der Fokus liegt dabei nicht allein auf der elektrischen Verbindung, sondern auch auf Aspekten wie Security, Systemkontrolle oder Firmware-Integration.

Protokolle wie UCIE, AMBA CHI oder die CSA-Spezifikation legen fest, wie Chiplets physikalisch und logisch miteinander kommunizieren. Die CSA-Spezifikation umfasst dabei unter anderem Mechanismen zur automatisierten Erkennung von Chiplets (Chiplet Discovery), standardisierte Power Domains, definierte Boot- und Reset-Sequenzen sowie Protokolle zur Fehlerbehandlung und Systemüberwachung. Nur so lassen sich Komponenten unterschiedlicher Herkunft zuverlässig kombinieren, ohne hohen Integrationsaufwand. Arm arbeitet gezielt daran, diese Standards zu etablieren und weiterzuentwickeln – stets mit dem Ziel, die Komplexität in der Entwicklung zu senken und die Wiederverwendbarkeit von Designs zu fördern.

Standardisierung wird damit zur Voraussetzung für einen funktionierenden Chiplet-Markt, sowohl auf technischer als auch auf prozessualer Ebene. Nur durch einheitliche Regeln lassen sich heterogene Komponenten sicher integrieren und in industriellem Maßstab fertigen.. „Was uns gefehlt hat, war ein systemischer Blick auf die Architektur – nicht nur auf die physikalischen Interfaces“, so Ramirez.

Kooperation statt Silos: Das Ökosystem wächst

Damit Chiplets skalierbar und wirtschaftlich werden, braucht es mehr als nur technische Standards. Es braucht zudem ein funktionierendes Ökosystem. Genau daran arbeitet Arm mit dem Programm „Total Design“. Ziel ist es, alle relevanten Akteure entlang der Wertschöpfungskette zusammenzubringen: IP-Anbieter, Foundries, EDA-Tool-Hersteller, Designhäuser und OEMs. Dieses Netzwerk soll sicherstellen, dass Chiplets nicht nur entwickelt, sondern auch effizient kombiniert, gefertigt und in Produkte integriert werden können.

Ein konkretes Beispiel liefert das Projekt LeapFrog. Zu den beteiligten Partnern zählen neben Arm selbst Unternehmen wie Cadence und Synopsys (EDA), GlobalFoundries (Foundry), MediaTek (SoC) sowie mehrere Systemanbieter. Das ist ein Querschnitt der Industrie, der zeigt, wie breit die Kooperationsbasis für standardisierte Chiplet-Systeme inzwischen geworden ist. „Wir zeigen mit LeapFrog, dass man mit mehreren Partnern ein System bauen kann, das mehr Leistung bringt als eine herkömmliche GPU und das dreimal so effizient“, sagt Ramirez.

Mehrere Unternehmen steuern spezialisierte Chiplets bei, die über standardisierte Schnittstellen zu einem leistungsfähigen, energieeffizienten Gesamtsystem verschmelzen. Die Zusammenarbeit entlang der gesamten Entwicklungskette wird damit zur Schlüsselkompetenz.

LeapFrog zeigt zudem, dass sich einmal entwickelte Chiplets in mehreren Produkten wiederverwenden lassen – ein zentraler Vorteil für Time-to-Market und TCO. Beteiligt sind nicht nur SoC-Designer, sondern auch EDA-Anbieter, IP-Entwickler, Fertiger und OEMs. Das Projekt dient nicht nur als Technologiedemo, sondern als Prototyp für einen skalierbaren Ansatz, wie sich standardisierte Chiplets zu marktfähigen Systemen kombinieren lassen.

„Es ist ein gutes Zeichen, dass OEMs jetzt in ihren RFIs nicht mehr nur nach SoCs fragen, sondern nach Chiplets“, berichtet Ramirez. Die Nachfrage beginnt sich zu wandeln – weg vom monolithischen Design, hin zu modularer Denkweise.

Technische Schlüsselthemen: Firmware, Security und Packaging

Der Weg zu einer standardisierten und breit eingesetzten Chiplet-Architektur ist technisch anspruchsvoll. Drei Themenbereiche stehen dabei im Vordergrund: Security, Firmware und Packaging.

„Wenn man Designs aufteilt, wird die Firmware komplexer. Da müssen wir an modularen Ansätzen arbeiten“, erklärt Ramirez. Gemeint sind Frameworks, die konfigurierbare Firmware-Komponenten ermöglichen, etwa mit skalierbaren Boot-Sequenzen und standardisierten Managementschnittstellen für Chiplet-Kombinationen. Ziel ist eine dynamische Firmwarestruktur, die sich je nach Systemkonfiguration automatisch anpasst, vergleichbar mit modularen Treiberarchitekturen in der Softwareentwicklung. Statt monolithischem Code braucht es Firmware-Strukturen, die sich dynamisch an unterschiedliche Chiplet-Kombinationen anpassen lassen.

Auch bei Security geht es nicht nur um den Schutz einzelner Komponenten, sondern auch um die sichere Kommunikation und Vertrauensbildung zwischen Chiplets – eine Herausforderung, wenn mehrere Anbieter beteiligt sind. Und schließlich stellt das Packaging eine zentrale Hürde dar: Damit Chiplets verschiedenster Herkunft zuverlässig in einem System zusammenarbeiten, müssen Unterschiede bei Fertigungstechnologien, thermischem Design und physischen Interfaces technisch abgefangen werden, etwa durch abgestimmte Packaging-Standards und Testmethoden.

Ein zentraler Aspekt dabei ist die Vertrauenskette: Um Chiplets unterschiedlicher Anbieter sicher zu integrieren, braucht es Mechanismen wie signierte Firmwarepakete, Zertifikatsketten und unabhängige Sicherheitsanker auf Hardwareebene. Vertrauensbildung wird so zu einer dynamischen Aufgabe – nicht als Add-on, sondern als integraler Bestandteil der Systemarchitektur. Hier ist enge Abstimmung zwischen Chip-Entwicklern, Foundries und OSATs gefragt.

Fazit: Standardisierte Chiplets erschließen neue Möglichkeiten

Der Übergang zu standardisierten Chiplet-Architekturen steht vor einer Zäsur, die vergleichbar ist mit dem Wechsel von proprietärer Serverhardware zu offenen Cloud-Plattformen. Was bei Software längst Realität ist, also modulare, wiederverwendbare Komponenten, könnte in der Chipentwicklung einen Paradigmenwechsel auslösen.

Für diese Entwicklung braucht es nicht nur technische Standards, sondern auch eine koordinierte Abstimmung der Interessen im Ökosystem, genauso wie  Vertrauen über Unternehmensgrenzen hinweg. Nur dann lässt sich ein offener Markt für Chiplets etablieren, der mehr ist als ein technisches Versprechen.

Entscheidend wird sein, ob es gelingt, Hersteller, Tool-Anbieter, Foundries und OEMs auf gemeinsame Schnittstellen und Architekturprinzipien zu verpflichten. Dann könnten Chiplets nicht nur Entwicklungszyklen verkürzen und Designs flexibilisieren, sondern auch eine neue Ökonomie modularer Halbleiterplattformen begründen, ähnlich wie es Softwarebibliotheken und Plattform-APIs in der IT-Welt vorgemacht haben. (mc)

(ID:50506578)