美媒：“微型芯片”不夠用？“巨型芯片”正快速崛起

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(yè)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(shù)芯片的尺寸都與硬幣相當，然而有些芯片實際上已經(jīng)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(xiàn)在地球上最強大的超級計算機上，也出現(xiàn)在日常用品上。比如，微軟Xbox和索尼PlayStation5都使用了由AMD設(shè)計的產(chǎn)品。蘋果在Mac Studio搭載的M1 Ultra也采用了這種設(shè)計方法。

但這些巨芯片給工程師們帶來了挑戰(zhàn)，因為它們在密集封裝的電路中進行計算時會產(chǎn)生額外的熱量。盡管它們通常更環(huán)保，但它們的巨大尺寸也意味著它們經(jīng)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(huán)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(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）曾說過，每兩年左右，芯片上的晶體管數(shù)量就會翻一倍。巨芯片只是業(yè)內(nèi)最新的創(chuàng)新產(chǎn)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(shè)備的生產(chǎn)，這些設(shè)備對于生產(chǎn)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(tǒng)擴展”的概念。ASML發(fā)言人證實，該公司認為系統(tǒng)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(guī)模或使其交通變得更加環(huán)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(yè)長期忽視的一個領(lǐng)域，即“封裝”。

在傳統(tǒng)設(shè)備中，接收和發(fā)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)在洛杉磯加州大學教授蘇布拉曼尼亞·艾爾（Subramanian Iyer）說，傳統(tǒng)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(jié)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。

使巨芯片和芯片堆疊起來的重要紐帶是一種全新的微芯片，稱為“芯?！薄Ｋ嗽S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(gòu)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(fā)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(nèi)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(fā)展方向，其大多數(shù)已經(jīng)發(fā)布但尚未上市的服務(wù)器、臺式電腦和筆記本電腦處理器都采用了這種技術(shù)。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(tǒng)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(wù)器芯片的效率。芯片使用的能源是重要的設(shè)計因素，而節(jié)能是該行業(yè)的最高優(yōu)先事項之一。堆疊芯粒可以讓工程師通過節(jié)省芯片各種元件通信所需的時間和能量，從當前的設(shè)計中擠出額外的空間。但當效率優(yōu)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(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)，它已經(jīng)在處理器中提供了幾個芯粒。該公司發(fā)現(xiàn)，只需在其CPU的主要部分堆疊一個儲存芯片（PC中執(zhí)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(chǎn)品廣告總監(jiān)馬克·斯威楠（Marc Swinnen）說，雖然目前基于芯粒制造的巨芯片數(shù)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(gòu)建人體模擬軟件程序的組織，該程序廣泛應用于微芯片設(shè)計行業(yè)。Ansys的大多數(shù)客戶都不愿具名，不過三星就是其中之一。Ansys發(fā)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(yè)組織介紹說，英特爾和AMD已經(jīng)各自推出了通用技術(shù)。這種技術(shù)可以讓任何使用它們的人都有可能創(chuàng)造出與不同生產(chǎn)商制造的芯片相結(jié)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(shè)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(yè)，標準化任何東西都是一項挑戰(zhàn)，因為必須做出妥協(xié)，而且不是每個人都有表現(xiàn)友好的動機。”

整個行業(yè)對這種技術(shù)感興趣的一個重要驅(qū)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(chuàng)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(yè)。斯威楠說：“現(xiàn)在，許多大公司的全部業(yè)務(wù)幾乎都建立在硅的質(zhì)量上?！?/p>

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(tǒng)的方式來制造真正巨大的微芯片。比如，名為Cerebras的初創(chuàng)公司制造了一種芯片，它占據(jù)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(shè)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(jié)構(gòu)中，效率比能耗或電池續(xù)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(qū)聯(lián)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(nèi)實現(xiàn)連接。

從表面上看，這似乎沒有什么意義，因為把芯片轉(zhuǎn)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(guān)的較小芯片來構(gòu)建多功能計算機系統(tǒng)，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(jīng)進行的實驗表明，芯?？赡芘c多功能電路相關(guān)聯(lián)，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(fā)展面臨挑戰(zhàn)，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(nèi)部擴張剛剛開始。