Полупроводниковая промышленность развивалась на протяжении нескольких десятилетий, расширяя одну и ту же автомагистраль. Уменьшите транзистор, добавьте их больше в чип — и системы становятся быстрее, меньше и эффективнее. Но теперь ИИ превращает эту дорогу в разветвлённую транспортную сеть.
ИИ отличается от предыдущих вычислительных нагрузок тем, что одновременно увеличивает потребность в вычислительных данных, пропускной способности памяти, пропускной способности и энергопотреблении. Решение одного узкого места часто открывает другое, заставляя инженеров оптимизировать целые системы, а не отдельные компоненты.
Данные должны непрерывно перемещаться между процессорами, стеками памяти, фотонными соединениями, схемами подачи питания и системами охлаждения — часто через несколько слоёв кремния. Задача теперь не только в том, чтобы строить более быстрые транзисторы. Она управляет перемещением данных, энергии и тепла по всё более сложным системам.
По данным imec, этот сдвиг выводит полупроводниковую индустрию за пределы традиционной парадигмы SoC в новую эпоху, которую она называет гетерогенной крупномасштабной интеграцией (HLSI).
«Нам не нужно нарушать закон Мура», — сказал EE Times Жюльен Рикерт, вице-президент по исследованиям и разработкам imec. «Закон Мура говорит только, что я хочу больше вычислительной мощности за каждый доллар. Есть и другие способы добиться этого. Это не одна прорывная технология, а растущая способность объединять специализированные технологии в целостную систему. «Правила игры изменились», — сказал он. «Теперь, когда я могу объединить четыре или пять технологий, как мне переосмыслить архитектуру моей вычислительной системы?»
Большая часть этих изменений обусловлена достижениями в области 3D-интеграции и гибридного соединения. По мере увеличения плотности соединений и приближения затрат на связь между кристаллическими кристаллами по сравнению с монолитными кристаллами, конструкторы получают новую свободу для разделения систем на несколько уровней.
Вместо того чтобы строить один большой этаж, проектировщики микросхем всё чаще строят вверх, накладывают специализированные функции друг на друга и соединяют их плотными вертикальными связями.
Переход к HLSI имеет значительные последствия для производства. Десятилетиями инновации в полупроводниках в основном сосредотачивались на транзисторной технологии, литографии и масштабировании процессов. Эти области остаются критичными, но производители всё чаще видят будущий прогресс благодаря интеграции нескольких технологий. TSMC описывает этот подход как совместную оптимизацию системных технологий.
«Масштабирование транзисторов действительно становится всё более сложным, а затраты растут», — сказал представитель компании в ответ на вопросы EE Times. «Однако сам штамп всегда будет важным центром инноваций для TSMC. Поскольку это системный уровень, он объединяет множество различных типов игроков в одну экосистему . Мы видим гораздо больше новых идей и инноваций теперь, когда дверь к совместной оптимизации систем и технологий открылись.»
Компания отметила текущие исследования в области транзисторов CFET, новых материалов каналов и передовых архитектур межсоединений. В то же время TSMC утверждала, что будущие инновации всё больше зависят от объединения нескольких технологий в одной платформе.
Если HLSI напоминает строительство вертикального города, то программное обеспечение, используемое для его проектирования, тоже должно измениться. Исторически инструменты EDA выигрывали от абстракции. Конструкторы могли оптимизировать транзисторы, чипы, корпуса и системы в основном отдельных областях. Гетерогенная интеграция начинает рушить эти границы.
В системах HLSI термическое поведение влияет на решения о размещении. Архитектура памяти влияет на дизайн пакетов. Фотоника влияет на структуру системы. Подача энергии должна оптимизироваться наряду с вычислительной архитектурой. В результате процесс проектирования стал значительно более взаимосвязанным.
Один из примеров — сам физический дизайн. Традиционные инструменты размещения в основном строились вокруг координат X и Y на двумерной плоскости. Новые 3D-системы требуют оптимизации в третьем измерении, что вынуждает поставщиков EDA-оборудования переосмыслить некоторые из самых фундаментальных алгоритмов отрасли.
В то же время проектировщикам всё чаще приходится моделировать взаимодействия между кремнием, упаковкой, фотоникой, тепловым и механическим поведением одновременно.