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世界上最大的芯片是如何诞生的

发表时间:2022-08-05
来源:网络整理
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集成电路是由许多晶体管(小开关)组成的硅三明治,这些晶体管(小开关)连接在一起形成电路。


自从 Robert Noyce 和 Jack Kilby 在 1958-59 年共同发明集成电路以来,晶体管密度不断提高。你可以在航天器、航空、通信以及对我们大多数人来说最明显的那个时代的消费产品中看到这种变化。例如,在 IC 的早期,最早的产品之一是基本的四功能 1973 Sears/Bowmar 手持计算器。六十年后,热门的消费产品是一款连接到互联网“世界大脑”的语音激活智能手机——这出现在一代人之前的科幻小说里。硅芯片或集成电路 (IC) 是人类最宏伟、最复杂、最具变革性的创造之一。


到达那里花了很长时间,但进展很稳定:自从 Fairchild Semiconductor 化学工程师 Gordon Moore 于 1965 年首次撰写有关 IC 的文章以来,大约每 18-24 个月,集成电路上的晶体管数量就会翻一番。允许这一点的基本过程是光刻,如果你把它分解成它的希腊起源,它的意思是“用光在石头上书写”。下面的图 1 显示了总体思路。



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光(通常是紫外线)通过模板照射,其图案是芯片设计人员想要烧入芯片的图案。在此之前和之后应用特殊化学品,并重复该过程,直到形成由多层组成的三明治,并且 IC 完成并准备好进行封装。


计算机设计师 Gordon Bell 曾经指出,在完全依赖 IC 的计算机中获得尽可能高的速度通常与“pipeline和封装”有关。由于集成电路运行得越快就会变得越热,因此高速计算机不得不担心保持芯片冷却。我们可以看到,这种限制与传奇超级计算机设计师 Seymour Cray 的几项专利与保持其世界领先的计算机系统冷却的方法有关。对于总是挑战可能性极限的Cray 来说,防止系统烧毁与设计快速电路同样重要。


Cerebras 是一家资金雄厚的硅谷初创公司,它开发了一种最巧妙、技术上最优雅的解决方案,以解决在芯片上“塞满”(用 Gordon Moore 的话)更多晶体管同时保持芯片冷却的问题。事情能推进到什么地步?答案令人震惊:在一块巨大的单方形硅片上,一侧约 8.5 英寸,Cerebras 晶圆级引擎 (WSE) 拥有 2.6 万亿个晶体管,构成 850,000 个 AI 优化处理单元。(图 2。)WSE 中晶体管的尺寸为 7 纳米。人类 DNA 为 2.5 纳米。到目前为止,在这个 Cerebras 芯片中的晶体管数量比博物馆永久收藏的所有 100,000 个计算对象的总和还要多。


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WSE 的聪明之处在于其设计和制造在很大程度上遵循了现有的行业流程和方法。他们独特的天才在于为 WSE 提供了一个最先进的生态系统——一个为其提供电力、冷却和通信的生态系统。


要实现这一点,Cerebras 不依赖于一些奇特的新方法或技术,而是依赖于现有的半导体制造工艺——只需稍微修改它们。(例如,当您将一块标准的 300 毫米晶圆切割成正方形时,剩下的 8.5 英寸的侧面占位面积)。


考虑到这些线程——封装、冷却和晶体管密度——这个惊人的芯片在封装后会是什么样子?(图 3)WSE 本身位于中间,在一些非常硬核的硬件中显得相当精致。不过,这种周边技术是 WSE 运作的关键,因为它既通过一些非常严格的连接器系统将 WSE 连接到外部世界,又通过它接触的冷板抽水以保持凉爽(再次是贝尔和克雷),并提供了令人惊叹的20 kW 的电力为数以万亿计的晶体管供电。顺便说一句,这足以为大约五个美国家庭供电。这听起来很多,但实际上每个晶体管只有几十亿分之一瓦。当您将普通计算机的机架缩小到单个芯片时,您必须解决这些工程问题。


Cerebras 晶圆级引擎的规模、雄心和性能几乎超出想象。


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由于对大规模集成的所有关注(将所有东西放在一个巨大的芯片上并有效地封装它),一个典型的 Cerebras 系统的大小约为使用“古老方式”将数十万个芯片连接在一起的等效计算机系统的 1/10在单独的电路板上,在单独的机柜中,然后将它们连接在一起。当被问及为什么他不喜欢在他的超级计算机中使用多个小型处理器时,传奇计算机设计师 Seymour Cray 打趣道:“你宁愿用什么来拉犁?一头大公牛还是 64 只鸡?”


那么,你想知道 WSE 中这些数万亿个晶体管的用途是什么?


WSE for AI 的杀手级应用程序是减少神经网络训练时间——使 AI 变得“智能”的网络。WSE 可以完成其他计算机需要数周才能完成的任务,并在几分钟内获得结果。


训练时间大幅减少的结果意味着人工智能实验的答案可以在几分钟或几小时内完成,而不是几天。这加快了药物发现,可以为癌症的潜在治疗方法建模,进行图像处理,并在我们的世界需要面对未来挑战的数十种新的人工智能应用中工作。


由于随着时间的推移,未来世界的很多地方都将受到基于人工智能的技术的影响,WSE 是一个值得收藏的重要里程碑,这就是为什么博物馆特别高兴将这个令人惊叹的设备的一个例子带入其永久收藏中的原因从 2022 年 8 月 9 日起,WSE 将在 CHM 主大厅附近限时展出。请亲自参观并查看这个罕见的设备。你会感到惊讶。