摩爾定律的終結(jié)——真正的摩爾定律，即晶體管隨著工藝的每次縮小而變得更便宜、更快——正在讓芯片制造商瘋狂。

有兩種不同的方法可以制造容量更大但通常不是更快的計(jì)算引擎——將設(shè)備分解成小芯片并將它們連接在一起或?qū)⑺鼈兾g刻在整個(gè)硅晶圓上——再加上第三種覆蓋層，這兩種方法都可以與 2.5D 和 3D 堆疊一起使用，以擴(kuò)展容量和功能。

無(wú)論如何，所有這些方法都受到用于蝕刻芯片的光刻設(shè)備的掩模版限制的限制。

目前的設(shè)備是針對(duì) 300 mm 硅晶圓定制的，該屏障為 858 mm 2，僅此而已。它就像終結(jié)者，或者真空中的光速。你不能與它爭(zhēng)論或討價(jià)還價(jià)。沒(méi)有任何芯片可以蝕刻得比這更大。在過(guò)去的三十年里，從 150 毫米晶圓到 200 毫米晶圓到 300 毫米晶圓并沒(méi)有改變掩模版極限，從可見(jiàn)光光刻到水浸光刻再到極紫外光刻也沒(méi)有改變掩模版極限。假設(shè)轉(zhuǎn)向 450 毫米晶圓也不會(huì)改變掩模版限制。

盡管我們會(huì)指出，到 2023 年，擁有 450 毫米晶圓將允許更大容量的晶圓級(jí)計(jì)算引擎。但 450 毫米晶圓的工程挑戰(zhàn)對(duì)于 IBM、英特爾、三星、臺(tái)積電、GlobalFoundries 和尼康來(lái)說(shuō)太難解決，但這一努力于 2015 年被放棄。

光罩限制（光穿過(guò)芯片掩模以在硅晶圓上蝕刻晶體管的孔徑大?。┎粌H定義了小芯片的設(shè)計(jì)方式，而且還限制了離散計(jì)算和內(nèi)存塊的大小單個(gè)晶圓。如果我們有 450 毫米的晶圓，并且晶圓級(jí)計(jì)算機(jī)的所有邏輯都可以用比晶圓更大的掩模版一次性蝕刻，那將是令人驚奇的，但這不是光刻設(shè)備的工作原理?？偠灾⌒酒途A級(jí)之間的區(qū)別實(shí)際上在于如何構(gòu)建互連，以利用計(jì)算和內(nèi)存的離散元件來(lái)構(gòu)建計(jì)算引擎插槽。

盡管存在這樣的限制，業(yè)界始終需要構(gòu)建更強(qiáng)大的計(jì)算引擎，并且在摩爾定律結(jié)束時(shí)，如果能夠找到一種方法，讓這些設(shè)備的制造成本也更低，那就太好了。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的研究人員剛剛在《Fundamental Research》雜志上發(fā)表了一篇論文，討論了光刻和小芯片的局限性，并提出了一種他們稱之為“Big Chip”的架構(gòu)，該架構(gòu)模仿了不幸的晶圓級(jí)公司Trilogy Systems 在 20 世紀(jì) 80 年代的努力以及Cerebras Systems 在 2020 年代成功的晶圓級(jí)架構(gòu)。埃隆·馬斯克 (Elon Musk) 的特斯拉正在打造自己的“Dojo”超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片，但這不是晶圓級(jí)設(shè)計(jì)，而是將Dojo D1 核心復(fù)雜地封裝成某種東西，如果你瞇著眼睛看，它看起來(lái)就像是由 360 個(gè)小芯片構(gòu)建的晶圓級(jí)插槽。也許通過(guò) Dojo2 芯片，特斯拉將轉(zhuǎn)向真正的晶圓級(jí)設(shè)計(jì)?？雌饋?lái)并不需要做很多工作就能完成這樣的壯舉。

中國(guó)科學(xué)院整理的這篇論文討論了很多關(guān)于為什么需要開(kāi)發(fā)晶圓級(jí)器件的問(wèn)題，但沒(méi)有提供太多關(guān)于他們開(kāi)發(fā)的大芯片架構(gòu)實(shí)際上是什么樣子的細(xì)節(jié)。它并沒(méi)有表明 Big Chip 是否會(huì)像特斯拉對(duì) Dojo 那樣采用小芯片方法，或者像 Cerebras 從一開(kāi)始就一路向晶圓級(jí)發(fā)展。但其含義很明顯，就像特斯拉一樣。

據(jù)中科院研究人員介紹，名為“Zhejiang”的大芯片將使用22 納米工藝制造。

“Zhejiang”大芯片由 16 個(gè)小芯片組成，每個(gè)小芯片有 16 個(gè) RISC-V 內(nèi)核。研究人員表示，該設(shè)計(jì)能夠在單個(gè)分立器件中擴(kuò)展至 100 個(gè)小芯片，我們過(guò)去稱之為插槽，但對(duì)我們來(lái)說(shuō)聽(tīng)起來(lái)更像是系統(tǒng)板。目前尚不清楚這 100 個(gè)小芯片將如何配置，也不清楚這些小芯片將實(shí)現(xiàn)什么樣的內(nèi)存架構(gòu)（陣列中將有 1,600 個(gè)內(nèi)核）。

我們所知道的是，隨著大芯片“Zhejiang”的迭代，有 16 個(gè) RISC-V 處理器使用芯片上的網(wǎng)絡(luò)在共享主內(nèi)存上進(jìn)行對(duì)稱多處理，相互連接，并且小芯片之間有 SMP 鏈接，因此每個(gè)塊可以在整個(gè)復(fù)合體中共享內(nèi)存。

以下是“Zhejiang” RISC-V 小芯片的框圖：

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以下是如何使用中介層將 16 個(gè)小芯片捆綁在一起形成具有共享內(nèi)存的 256 核計(jì)算復(fù)合體，從而實(shí)現(xiàn)芯片間 (D2D) 互連：

CAS 研究人員表示，絕對(duì)沒(méi)有什么可以阻止這種小芯片設(shè)計(jì)以晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)。然而，對(duì)于這次迭代，看起來(lái)它將是使用 2.5D 中介層互連的小芯片。

互連與計(jì)算元件一樣重要，這在系統(tǒng)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中始終如此。

“該接口是使用基于時(shí)間復(fù)用機(jī)制的通道共享技術(shù)設(shè)計(jì)的，”研究人員在談到 D2D 互連時(shí)寫(xiě)道?！斑@種方法減少了芯片間信號(hào)的數(shù)量，從而最大限度地減少了 I/O 凸塊和內(nèi)插器布線資源的面積開(kāi)銷，從而可以顯著降低基板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。小芯片終止于頂部金屬層，微型 I/O 焊盤就建在該金屬層上。”

雖然一個(gè)大芯片計(jì)算引擎作為多芯片或晶圓級(jí)復(fù)合體可能很有趣，但重要的是如何將這些設(shè)備互連以提供百億億級(jí)計(jì)算系統(tǒng)。以下是 CAS 研究人員對(duì)此的看法：

研究人員在談到這種計(jì)算和內(nèi)存的分層結(jié)構(gòu)時(shí)寫(xiě)道：“對(duì)于當(dāng)前和未來(lái)的億億級(jí)計(jì)算，我們預(yù)測(cè)分層小芯片架構(gòu)將是一種強(qiáng)大而靈活的解決方案。”如下圖所示?！胺謱有⌒酒軜?gòu)被設(shè)計(jì)為具有多個(gè)內(nèi)核和許多具有分層互連的小芯片。在chiplet內(nèi)部，內(nèi)核使用超低延遲互連進(jìn)行通信，而chiplet之間則以得益于先進(jìn)封裝技術(shù)的低延遲互連，從而在這種高可擴(kuò)展性系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)片上延遲和NUMA效應(yīng)可以最小化。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)包含核心存儲(chǔ)器、片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外存儲(chǔ)器。這三個(gè)級(jí)別的內(nèi)存在內(nèi)存帶寬、延遲、功耗和成本方面有所不同。在分層chiplet架構(gòu)的概述中，多個(gè)核心通過(guò)交叉交換機(jī)連接并共享緩存。這就形成了一個(gè)pod結(jié)構(gòu)，并且pod通過(guò)chiplet內(nèi)網(wǎng)絡(luò)互連。多個(gè)pod形成一個(gè)chiplet，chiplet通過(guò)chiplet間網(wǎng)絡(luò)互連，然后連接到片外存儲(chǔ)器。需要仔細(xì)設(shè)計(jì)才能充分利用這種層次結(jié)構(gòu)。合理利用內(nèi)存帶寬來(lái)平衡不同計(jì)算層次的工作負(fù)載可以顯著提高chiplet系統(tǒng)效率。正確設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)資源可以確保小芯片協(xié)同執(zhí)行共享內(nèi)存任務(wù)。”

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我們很難反駁這句話中所說(shuō)的任何內(nèi)容，但 CAS 研究人員并沒(méi)有說(shuō)明他們將如何實(shí)際處理這些問(wèn)題。這是最困難的部分。

有趣的是，該圖中的內(nèi)核被稱為“可編程”和“可重新配置”，但我們不確定這意味著什么。它可能需要使用可變線程技術(shù)（例如 IBM 的 Power8、Power9 和 Power10 處理器）來(lái)完成更多工作，而不是在核心中混合使用 CPU 和 FPGA 元件。這很難說(shuō)。

CAS 研究人員表示，大芯片計(jì)算引擎將由超過(guò) 1 萬(wàn)億個(gè)晶體管組成，占據(jù)數(shù)千平方毫米的總面積，采用小芯片封裝或計(jì)算和存儲(chǔ)塊的晶圓級(jí)集成。對(duì)于百億億次 HPC 和 AI 工作負(fù)載，我們認(rèn)為 CAS 很可能正在考慮 HBM 堆疊 DRAM 或其他一些替代雙泵浦主內(nèi)存，例如英特爾和 SK Hynix 開(kāi)發(fā)的 MCR 內(nèi)存。RISC-V 內(nèi)核可能會(huì)有大量本地 SRAM 進(jìn)行計(jì)算，這可能會(huì)消除對(duì) HBM 內(nèi)存的需求，并允許使用 MCR 雙泵浦技術(shù)加速 DDR5 內(nèi)存。很大程度上取決于工作負(fù)載以及它們對(duì)內(nèi)存容量和內(nèi)存帶寬的敏感程度。

Big Chip 論文列出了一份未來(lái)技術(shù)的愿望清單，例如光電計(jì)算、近內(nèi)存計(jì)算以及可以添加到 Big Chip 復(fù)合體中的 3D 堆棧式緩存和主內(nèi)存 - 看起來(lái)像是使用光學(xué) I /O 處理器是首選。但 CAS 并未透露其正在研究的內(nèi)容以及何時(shí)可以交付。

據(jù)我們所知，大芯片及其大系統(tǒng)已經(jīng)建成，CAS現(xiàn)在只是在談?wù)撍?。例如，谷歌就是這樣做的，但隨著像谷歌這樣的公司使用有趣的系統(tǒng)作為招聘技術(shù)人員的方式，將某些東西投入該領(lǐng)域和談?wù)撍g的時(shí)間一直在縮短。






審核編輯：劉清