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        美媒:“微型芯片”不夠用?“巨型芯片”正快速崛起

        2022-08-01 08:51:43 來源:網易科技

        7 月 31 日消息,美媒日前報道稱,目前最強大的芯片作用越來越大,但它們幾乎不能再被稱為“微型芯片”。

        由于各行各業都需要速度更快、功能更強大的芯片,而通過縮小晶體管的方法正進入瓶頸。于是工程師們將微芯片堆疊起來,最終促使“巨芯片”迅速崛起。在某些情況下,它們正在達到幾乎從未見過的龐大體積。

        目前,大多數芯片的尺寸都與硬幣相當,然而有些芯片實際上已經大到類似信用卡。在極端情況下,甚至可以如餐盤大小。

        這些超級芯片不僅出現在地球上最強大的超級計算機上,也出現在日常用品上。比如,微軟 Xbox 和索尼 PlayStation5 都使用了由 AMD 設計的產品。蘋果在 Mac Studio 搭載的 M1 Ultra 也采用了這種設計方法。

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        但這些巨芯片給工程師們帶來了挑戰,因為它們在密集封裝的電路中進行計算時會產生額外的熱量。盡管它們通常更環保,但它們的巨大尺寸也意味著它們經常需要消耗更多的能量。例如,英特爾的 Ponte Vecchio 芯片在每次計算時更環保,但仍需要消耗 600 瓦能源,這足以啟動并運行吹風機。如果你問為什么巨芯片尚未被用于手機上,這就是限制因素之一。

        從某種程度上說,巨芯片只是一種推動摩爾定律進化的方法。英特爾創始人戈登?摩爾(Gordon Moore)曾說過,每兩年左右,芯片上的晶體管數量就會翻一倍。巨芯片只是業內最新的創新產品,承諾提供更高的效率。

        荷蘭 ASML 公司實際上壟斷了芯片制造設備的生產,這些設備對于生產世界上最先進的芯片和最小的晶體管非常重要。但即便如此,該公司也表示,要維持摩爾定律的運行,僅僅把芯片上的晶體管做得更小依然不夠。在 2021 年 9 月面向買家的演示中,ASML 公司談到了“系統擴展”的概念。ASML 發言人證實,該公司認為系統擴展是對縮小微芯片選擇范圍工作的補充。

        借用城市的比喻來說,如果一個大都市不能縮小其住房規?;蚴蛊浣煌ㄗ兊酶迎h保,那么除了不斷向外擴張,它可能沒有其他選擇。

        封裝 + 芯粒

        不過,制造巨芯片并不容易,部分原因在于,這意味著要以納米級的精度將每個芯片部件移動到位,并在沒有微型焊槍的情況下將它們連接起來。

        這在很大程度上是由于芯片行業長期忽視的一個領域,即“封裝”。

        在傳統設備中,接收和發送無線電波的芯片 (比如通過 Wi-Fi 通話) 可以連接到其他不同的芯片進行通用計算,它們之間的連接實際上被稱為“總線”。但就像它在現實世界中的地位一樣,這種“巴士”很難在相鄰的“硅城市”之間快速運輸東西。巨芯片的新封裝作為替代方案可以立即將這兩個芯片連接起來。其結果就像是將所有這些芯片集中在一個屋檐下,并且不斷加高。

        IBM 封裝改進部的前主管、現在洛杉磯加州大學教授蘇布拉曼尼亞?艾爾(Subramanian Iyer)說,傳統的微芯片應該占用其幾乎三分之一的空間,同時需要消耗大量的能源才能將芯片的計算結果傳遞給剩余部分的電路。堆疊芯片使它們之間的通信更快,因為這允許它們之間有許多額外的連接,就像在摩天大樓之間乘坐電梯遠比在整個建筑中穿梭更快一樣。

        使巨芯片芯片堆疊起來的重要紐帶是一種全新的微芯片,稱為“芯?!?。它消除了許多老式的電路,用不同的芯粒支持即時通信。通過制造許多簡單、直接的連接,這些芯??梢耘c不同的芯片融合,形成巨芯片。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的電氣工程教授拉凱什?庫馬爾 (Rakesh Kumar) 說,構成巨芯片的不同芯粒之間的直接通信使它們能像單個的大微處理器那樣運行。

        英特爾最近發布的 Ponte Vecchio 圖形處理器就是個典型的例子。每個 Ponte Vecchio 都由 63 個完全不同的芯粒組成。這些芯粒堆疊在最好的位置上,然后相互擠在一起,有 3 個 100 平方毫米的完整空間,可容納 1000 億個晶體管。與之相比,筆記本電腦內核上的日常芯片小于 150 平方毫米,大約有 15 億個晶體管。

        堆疊芯粒的使用顯然是英特爾處理器的發展方向,其大多數已經發布但尚未上市的服務器、臺式電腦和筆記本電腦處理器都采用了這種技術。英特爾高級研究員達斯?夏爾馬(Das Sharma)說,這種方式“為芯片制造提供了一種全新的方法,比傳統方法更快,更具成本效益”。

        他指出,堆疊芯粒還允許英特爾在不增加其 (二維) 足跡或整體能源消耗的情況下,擴展其下一代臺式機和服務器芯片的效率。芯片使用的能源是重要的設計因素,而節能是該行業的最高優先事項之一。堆疊芯??梢宰尮こ處熗ㄟ^節省芯片各種元件通信所需的時間和能量,從當前的設計中擠出額外的空間。但當效率優先時,芯粒也可能被用來制造更大的微芯片,盡管會更加耗能。

        AMD 是當今芯片技術領域的先驅,它已經在處理器中提供了幾個芯粒。該公司發現,只需在其 CPU 的主要部分堆疊一個儲存芯片(PC 中執行大部分非圖形計算的芯片),就能夠顯著提高其程序的運行速度。

        巨頭加入

        Ansys 公司的產品廣告總監馬克?斯威楠(Marc Swinnen)說,雖然目前基于芯粒制造的巨芯片數量可能很少,而且可能只在最強大的程序中使用,但制造它們的模式正在加速。Ansys 是一家構建人體模擬軟件程序的組織,該程序廣泛應用于微芯片設計行業。Ansys 的大多數客戶都不愿具名,不過三星就是其中之一。Ansys 發言人表示,自 2019 年以來,Ansys 客戶端采用的堆疊芯片種類增加了 20 倍。

        今年 3 月,名為“通用芯?;ミB快線”(UCIe) 的行業組織介紹說,英特爾AMD 已經各自推出了通用技術。這種技術可以讓任何使用它們的人都有可能創造出與不同生產商制造的芯片相結合的芯片。該組織成員還包括 Arm、臺積電、三星以及不同的微芯片設計和制造巨頭。

        UCIe 主席、英特爾高級研究員德本德拉?達斯?夏爾馬(Debendra Das Sharma)說,任何公司遲早都可能從其他公司購買芯粒,然后將它們組裝成他們所需要的“拼裝芯片”。

        當然,這項工作需要大量不同的公司參與。夏爾馬博士說,UCIe 及其成員將能夠證明,它們最終會取得成功。但伊利諾伊大學的庫馬爾博士并不這么確定。他說:“在一個競爭如此激烈的行業,標準化任何東西都是一項挑戰,因為必須做出妥協,而且不是每個人都有表現友好的動機?!?/span>

        整個行業對這種技術感興趣的一個重要驅動因素是,越來越多的公司(包括亞馬遜、谷歌、微軟、特斯拉和其他公司)希望創造自己的、更強大的微芯片,以支持云計算、智能手機、游戲機到汽車等所有行業。斯威楠說:“現在,許多大公司的全部業務幾乎都建立在硅的質量上?!?/span>

        加州大學洛杉磯分校的 Iyer 博士說,對巨芯片的興趣還來自于對當前硬件上的人工智能AI)和機器研究程序的強烈呼聲。為了滿足這一需求,有些公司采取了傳統的方式來制造真正巨大的微芯片。比如,名為 Cerebras 的初創公司制造了一種芯片,它占據了一整層硅片,上面有時會蝕刻幾十個微芯片。而另一些公司則與艾爾博士的工作人員一起努力,致力于由芯粒組成的 AI 超大芯片。

        從超級計算機到可穿戴設備

        人們對巨芯片的熱情表明,它們可能會在未來的某個時候超越目前的用途。在這種結構中,效率比能耗或電池續航時間更受重視。庫馬爾博士說,就像一個大都市通過快速交通項目與郊區聯系起來一樣,未來的芯粒至少可以通過新的方式在更長距離內實現連接。

        從表面上看,這似乎沒有什么意義,因為把芯片轉移到更遠的地方會增加它們通信的時間。但它至少帶來了一個令人驚訝的好處:可以利用與多功能電路相關的較小芯片來構建多功能計算機系統,它甚至可能促使全新芯片誕生。

        例如,庫馬爾博士的工作人員已經進行的實驗表明,芯??赡芘c多功能電路相關聯,成為可穿戴程序,或者可能包裹圓形表面的程序,類似于飛機機翼。艾爾博士說,他的員工正致力于打造一款多功能電話的所有必備組件。

        盡管巨芯片的發展面臨挑戰,但目前,將微芯片分解成更小的芯粒,然后重新組裝成體積更大、功能更強的巨芯片努力正成為不可阻擋的趨勢。簡而言之:芯片的內部擴張剛剛開始。


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