موتور عصر دیجیتال درحال برخورد با قوانین فیزیک است. نیمه‌هادی‌های مدرن، این بنیان‌های میکروسکوپی محاسبات، درست زمانی به محدودیت‌های فیزیکی خود نزدیک می‌شوند که هوش مصنوعی و پردازش داده‌های با عملکرد بالا به اوج تقاضای خود رسیده‌اند. نتیجه، یک بازنگری در کل صنعت و جستجو برای یافتن جایگزینی برای ریزتراشه هاست.

خلاصه و نکات کلیدی

🔹 محدودیت فیزیکی: صنعت نیمه‌هادی به محدودیت‌های فیزیکی، به‌ویژه «محدودیت رتیکل»، رسیده است که مانع از بزرگ‌تر شدن تراشه‌ها می‌شود.🔹 نیاز فزاینده هوش مصنوعی: تقاضای انفجاری برای پردازش هوش مصنوعی، معماری‌های سنتی را به چالش کشیده است.🔹 ظهور معماری مقیاس ویفر (wafer-scale): شرکت‌هایی مانند Cerebras با استفاده از کل ویفر سیلیکونی به‌عنوان یک تراشه یکپارچه، به‌دنبال عبور از این محدودیت‌ها هستند.🔹 آینده پردازش: این تحولات ممکن است به پایان سلطه ریزتراشه ها و ظهور «مراکز داده در یک جعبه» منجر شود.

چرا انویدیا با ارزش ۵ تریلیون دلاری هم با چالش روبه‌روست؟

این تحول در هیچ‌کجا به اندازه شرکت انویدیا (Nvidia) مشهود نیست؛ شرکتی که ارزش آن اخیراً به حدود ۵ تریلیون دلار رسیده و آن را به باارزش‌ترین شرکت سهامی عام جهان تبدیل کرده است. پردازنده‌های پرچم‌دار انویدیا شگفتی‌هایی پیچیده هستند. هر واحد، که در یک بسته‌بندی پلاستیکی قرار گرفته و با اتصالات مسی در هم تنیده شده، حاوی حداکثر ۲۰۸ میلیارد ترانزیستور است.

این قطعات با قیمت هر تراشه حدود ۳۰,۰۰۰ دلار، قدرت محاسباتی بی‌سابقه‌ای را ارائه می‌دهند، به‌خصوص زمانی که هزاران عدد از آن‌ها در مراکز داده در کنار هم قرار می‌گیرند. پیشرفت‌های معماری اخیر انویدیا به تراشه‌ها اجازه می‌دهد تا به‌جای واحدهای پردازشی مستقل، به‌صورت جمعی به‌عنوان کامپیوترهای ابرمقیاس (hyperscale) عمل کنند.

محدودیت رتیکل چیست و چرا یک دیوار فیزیکی است؟

بااین‌حال، نیازهای محاسباتی نمایی هوش مصنوعی به نقطه‌ای رسیده است که توسط قوانین تغییرناپذیر فیزیک دیکته می‌شود. در قلب ساخت تراشه، فرایند لیتوگرافی فرابنفش شدید (extreme ultraviolet lithography) قرار دارد؛ فرآیندی که شرکت هلندی ASML و دستگاه ۳۸۰ میلیون دلاری آن، «Extreme Machine»، بر آن مسلط هستند.

ASML Extreme Machine

این ابزار که شبیه یک دوربین بسیار تخصصی است، نور را از طریق ماسک‌های نوری دقیق بر روی ویفرهای سیلیکونی می‌تاباند تا الگوهای مدار را تعریف کند. با وجود این پیچیدگی، حتی پیشرفته‌ترین سیستم لیتوگرافی نیز با یک محدودیت اساسی روبه‌رو است: محدودیت رتیکل (reticle limit). این قانون فیزیکی، اندازه یک دای تراشه واحد را به حدود ۸۰۰ میلی‌مترمربع محدود می‌کند. درنتیجه، برای دستیابی به ظرفیت پردازش بیشتر، باید وظایف کامپیوتری را بین چندین تراشه کوچک‌تر که با بسته‌بندی‌ها، کابل‌ها و لینک‌های فیبری متراکم‌تر به هم متصل شده‌اند، تقسیم کرد.

راه‌حل موقت: چیپلت‌ها و پیچیدگی‌های آن

این محدودیت‌های معماری در طراحی درحال‌تکامل مراکز داده مدرن مشهود است، جایی که روند به‌سوی «چیپلت‌های» (chiplets) کوچک‌تر و به‌هم‌پیوسته برای مقیاس‌پذیری است. بااین‌حال، این تکه‌تکه شدن، سربار ارتباطی را افزایش می‌دهد، نوآوری‌های هوشمندانه‌تری را در بسته‌بندی الزامی می‌کند و پیچیدگی سیستم را بالا می‌برد.

گذر از ریزتراشه: معماری مقیاس ویفر و مراکز داده در یک جعبه

محققان و شرکت‌های نیمه‌هادی که هم با محدودیت رتیکل و هم با بازده کاهشی مقیاس‌پذیری تدریجی روبه‌رو هستند، درحال بررسی یکپارچه‌سازی در مقیاس ویفر (wafer-scale integration) هستند. این مدل، تراشه‌های گسسته مرسوم را به‌طور کامل کنار می‌گذارد و درعوض، از کل ویفر سیلیکونی به‌عنوان یک بستر پردازشی یکپارچه و عظیم استفاده می‌کند.

تلاش‌های اخیر شرکت Cerebras از پالو آلتو، منجر به تولید WSE-3 (موتور مقیاس ویفر ۳) شده است که چهار تریلیون ترانزیستور را در خود جای داده و ۷,۰۰۰ برابر پهنای باند حافظه تراشه‌های مرسوم برتر را ارائه می‌دهد. برخلاف معماری‌های استاندارد، WSE-3 حافظه را مستقیماً در داخل ویفر تعبیه می‌کند که به‌طور چشمگیری تأخیر را کاهش داده و اندازه کل مراکز داده را کوچک می‌کند.

شرکت تسلا نیز تحت رهبری ایلان ماسک، مفاهیم مشابهی را در پروژه دوجو (Dojo) خود آزمایش کرد. اگرچه این پروژه به‌صورت داخلی متوقف شد، اما این رویکرد در شرکت‌هایی مانند DensityAI زنده مانده است. شرکت Lam Research، یکی از تأمین‌کنندگان اصلی تجهیزات ساخت، نیز از طریق شرکت زیرمجموعه خود، Multibeam Corp، لیتوگرافی با پرتو الکترونی چندستونی را پیش برده و راهی را برای تولیدکنندگان جهت حکاکی روی ویفرهای بسیار بزرگ‌تر و عبور از مانع رتیکل ارائه می‌دهد.

این تحولات نشان می‌دهد که سلطنت ریزتراشه‌ها ممکن است به‌زودی جای خود را به معماری‌هایی بدهد که هم از نظر فرم و هم از نظر عملکرد، به‌طور چشمگیری متفاوت هستند. با بالغ شدن یکپارچه‌سازی در مقیاس ویفر و تکنیک‌های جدید لیتوگرافی، امکان ایجاد «مراکز داده در یک جعبه» (data centers-in-a-box) ملموس‌تر می‌شود و وضعیت موجود اقتصادی و فناوری را که برای نسل‌ها بر زیرساخت‌های دیجیتال حاکم بوده است، به چالش می‌کشد.

به‌نظر شما آیا معماری‌های مقیاس ویفر می‌توانند به‌طور کامل جایگزین طراحی سنتی ریزتراشه شوند؟

بفرست برای دوستات