Chiplet e architetture modulari nei microprocessori: cosa cambierà nell’embedded

Negli ultimi dieci anni l’industria dei semiconduttori ha visto una delle più grandi rivoluzioni tecnologiche: l’affermazione del modello a chiplet. Per molto tempo i microprocessori sono stati progettati come blocchi monolitici, dove tutte le funzioni – core CPU, memoria cache, acceleratori grafici, interfacce di comunicazione – convivevano sullo stesso die di silicio. Questo approccio ha permesso grandi progressi, ma ha mostrato limiti sempre più stringenti: i chip diventavano enormi, costosi da produrre e difficili da scalare.

Oggi la tendenza è quella di scomporre il processore in moduli più piccoli e specializzati, i chiplet appunto, capaci di essere fabbricati separatamente e poi integrati in un unico package. Una logica modulare che non solo riduce i costi di produzione, ma apre la strada a nuove architetture più flessibili e personalizzabili.

Perché i chiplet stanno cambiando il paradigma

Il passaggio non è solo tecnologico, ma anche strategico. In un die monolitico la resa produttiva è un fattore critico: basta un difetto microscopico per compromettere l’intero chip, con costi enormi. I chiplet riducono il rischio, perché ogni blocco è più piccolo e indipendente.

Un altro vantaggio è la possibilità di combinare nodi tecnologici diversi: la CPU può essere fabbricata a 5 nm per massimizzare le prestazioni, mentre i moduli analogici o di I/O possono restare a 28 nm, dove i costi sono più bassi e la stabilità elettrica è maggiore. È una forma di ottimizzazione ingegneristica che prima non era praticabile.

L’industria ha già dimostrato la maturità del modello. AMD ha reso i chiplet un pilastro delle proprie CPU Ryzen ed EPYC, separando i core di calcolo dal die di I/O. Intel ha scelto un approccio simile con le architetture a “tile” di Meteor Lake. Anche ARM e SiFive guardano con interesse a questa strada, soprattutto in chiave RISC-V, dove la modularità è quasi un requisito naturale.

Packaging e tecniche di integrazione

La vera forza dei chiplet non sta solo nella suddivisione logica delle funzioni, ma anche nelle tecniche di packaging che rendono possibile la loro integrazione. Le soluzioni 2.5D, come il TSMC CoWoS, utilizzano un interposer in silicio che funge da ponte ad alta velocità tra i vari chiplet. Le architetture 3D stacking, invece, permettono di impilare più die verticalmente, riducendo le distanze fisiche e aumentando la densità di interconnessioni.

Intel ha sviluppato tecnologie come EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) e Foveros, che consentono di combinare chiplet realizzati con nodi diversi mantenendo prestazioni vicine a quelle dei chip monolitici. Per l’embedded, dove lo spazio PCB è spesso limitato, questi approcci aprono la possibilità di integrare funzioni avanzate senza dover ridisegnare completamente la scheda.

Interconnessioni e latenza

Uno dei punti più critici riguarda la comunicazione tra chiplet. In un die monolitico i segnali percorrono distanze minime, mentre in un package modulare occorre gestire connessioni più lunghe e complesse. Ciò introduce sfide di latenza, consumo energetico e integrità del segnale.

Standard emergenti come UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) puntano a garantire interoperabilità e latenze ridotte, con bandwidth che possono raggiungere centinaia di GB/s. Per l’embedded questo aspetto è fondamentale: in applicazioni real-time, anche pochi nanosecondi di ritardo possono fare la differenza tra un sistema affidabile e uno non conforme alle specifiche.

Consumi e gestione termica

La progettazione termica nei sistemi a chiplet è radicalmente diversa. In un chip monolitico il calore si concentra in un’unica area, mentre nei sistemi modulari i punti caldi possono trovarsi in posizioni diverse del package. Ciò richiede nuove strategie di dissipazione, soprattutto in dispositivi compatti come gateway IoT, wearable o sistemi automotive.

Allo stesso tempo, la separazione fisica dei moduli più energivori, come un acceleratore AI, consente di isolare meglio le fonti di calore e applicare tecniche di raffreddamento mirato. Questo può tradursi in un’efficienza complessiva superiore rispetto a un die monolitico equivalente, purché il design termico sia ottimizzato fin dalle prime fasi di progetto.

Embedded: da spettatore a protagonista

La domanda che si pone chi lavora nell’embedded è se questo approccio, nato nei datacenter e nei PC ad alte prestazioni, abbia davvero senso in dispositivi industriali, automotive o IoT. La risposta è sì, ma con una traiettoria diversa.

Nel mondo embedded i vincoli non sono solo di potenza di calcolo: contano consumi ridotti, costi contenuti, disponibilità garantita per 10 o 15 anni, affidabilità in condizioni ambientali estreme. A prima vista, un packaging multi-chiplet può sembrare più fragile o costoso di un microcontrollore tradizionale. Tuttavia, i benefici della modularità si stanno facendo strada. Immaginiamo ad esempio un produttore di dispositivi medicali che vuole aggiornare il proprio prodotto con un acceleratore di intelligenza artificiale per analisi in tempo reale: con un’architettura a chiplet, può aggiungere il modulo AI al package esistente senza riprogettare tutto il sistema.

RISC-V e modularità naturale

L’architettura RISC-V rappresenta un terreno particolarmente fertile per i chiplet. La sua natura aperta e modulare si sposa perfettamente con la possibilità di implementare estensioni dedicate in moduli separati. Esistono già progetti sperimentali che combinano core RISC-V generici con acceleratori per AI o DSP in configurazioni chiplet, aprendo la strada a sistemi personalizzati con tempi di sviluppo ridotti.

Per il settore embedded, dove la differenziazione di prodotto è spesso un fattore competitivo, la possibilità di avere SoC su misura costruiti attorno a core RISC-V potrebbe rappresentare un’alternativa concreta ai microcontrollori tradizionali di fornitori come ARM, NXP o STMicroelectronics.

Ricerca e trend accademici

Il mondo della ricerca si sta già muovendo in questa direzione. Università e centri di ricerca stanno sviluppando strumenti EDA (Electronic Design Automation) pensati per architetture modulari, simulatori che permettono di modellare interconnessioni tra chiplet e studi su nuovi materiali per interposer a bassa resistenza.

L’interesse è trainato soprattutto da due settori: l’AI at the edge e l’IoT industriale. Entrambi richiedono sistemi che uniscano efficienza energetica, sicurezza e capacità di calcolo elevata in spazi ridotti. La ricerca accademica fornisce già modelli per stimare consumi, ritardi e scalabilità delle architetture a chiplet, ponendo le basi per una futura adozione di massa anche nel mercato embedded.

Una rivoluzione silenziosa

Molti osservatori vedono i chiplet come una soluzione “di lusso” per processori di fascia alta. In realtà, il percorso di queste tecnologie segue la stessa curva che abbiamo visto con i SoC: prima introdotti in applicazioni premium, poi progressivamente standardizzati e infine adottati in massa anche nei dispositivi embedded a basso costo.

Oggi sembra ancora un concetto lontano, ma è plausibile che tra cinque o dieci anni anche microcontrollori di fascia media integreranno architetture modulari, con chiplet dedicati a funzioni specifiche.

Conclusione

La rivoluzione dei chiplet non è un fenomeno circoscritto ai server e ai PC da gaming: è un cambio di paradigma che inevitabilmente raggiungerà anche l’embedded. La modularità apre scenari di personalizzazione estrema, riduzione dei tempi di sviluppo e aggiornabilità a lungo termine.

Resta da affrontare la sfida della standardizzazione e della maturità del software, ma la direzione è tracciata. I sistemi embedded del futuro non saranno più pensati come blocchi monolitici, bensì come ecosistemi modulari, capaci di adattarsi e crescere insieme alle esigenze del mercato.

Approfondimenti utili:
UCIe – Universal Chiplet Interconnect Express
AMD Infinity Fabric Overview
Intel Foveros Packaging Technology
TSMC CoWoS Technology
SiFive RISC-V Strategy