Компания TSMC объявила, что ее предприятия по производству полупроводников быстро восстанавливаются после разрушительного землетрясения, произошедшего на Тайване 3 апреля, и что ее целевой показатель прибыли на 2024 год остается неизменным. Все здания и сооружения компании отличается высокой сейсмоустойчивостью.
TSMC преследует цель — упаковать к 2030 году в процессор 1 трлн транзисторов. Поскольку ущерб от землетрясения минимален, председатель совета директоров Марк Лю и главный научный сотрудник Филип Вонг прогнозируют 10 лет роста. A silicon wafer in a fab. Photo: TSMC
28 марта в журнале Института инженеров по электротехнике и электронике IEEE Spectrum было опубликовано эссе "Как мы сможем создать GPU с 1 триллионом транзисторов", в котором объясняется, как "достижения в области полупроводников стимулируют развитие технологий искусственного интеллекта".
Следует отметить, что новый ИИ-процессор Nvidia с архитектурой Blackwell представляет собой единую систему-на-чипе (SoC). В ней объединены два графических процессора (GPU) с ограниченных размерами корпуса количеством транзисторов (по 104 миллиарда в каждом), межсоединения на 10 терабайт в секунду и другие компоненты.
"Ограниченным размерами корпуса" - то есть ограниченный максимальным размером фотомаски, используемой в процессе литографии, которая переносит рисунок на кремниевую пластину. Таким образом, TSMC ставит перед собой цель примерно в десять раз увеличить количество транзисторов на GPU в ближайшее десятилетие.
Краткий обзор становления полупроводниковой промышленности и развития технологий искусственного интеллекта
Суперкомпьютер IBM Deep Blue, выигравший матч из шести партий у чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году, был построен на базе 0,6- и 0,35-микронных узлов.
Нейронная сеть AlexNet, победившая в конкурсе ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge в 2012 году и положившая начало эре машинного обучения, использовала микросхемы, изготовленные по 40-нанометровому техпроцессу.
Нейосеть AlphaGo, победившая чемпиона Европы по игре в го Фань Хуэя в 2015 году, была создана по 5-нм технологии, как и начальная версия ChatGPT.
Графические процессоры Blackwell изготавливаются по более совершенному 4-нм техпроцессу, который компания TSMC использовала для производства его предшественника, графического процессора Nvidia Hopper.
Учитывая, что объем вычислений и памяти, необходимых для обучения искусственного интеллекта, увеличивается на порядки, Лю и Вонг подчеркивают: "Если революция ИИ будет продолжаться нынешними темпами, ей потребуется еще больше усилий со стороны полупроводниковой промышленности".
Это потребует не только запуска 2-нм технологического процесса, запланированного на 2025 год, а затем 1,4-нм (или 14A, A - ангстрем) в 2027 или 2028 году, но и перехода от 2D-масштабирования к 3D-интеграции систем: "Сейчас мы собираем множество кристаллов в тесно интегрированную, массивную взаимосвязанную систему. Это смена парадигмы в интеграции полупроводниковых технологий", - говорят топ-менеджеры компании. Они объясняют это следующим образом:
Достижения в области полупроводниковых технологий [верхняя строка] - включая новые материалы, успехи в области литографии, новые типы транзисторов и усовершенствованную упаковку - стимулируют разработку более эффективных систем искусственного интеллекта [нижняя строка]
"В эпоху искусственного интеллекта возможности любой системы прямо пропорциональны количеству транзисторов, интегрированных в эту систему. Одно из главных ограничений заключается в том, что литографические инструменты для производства микросхем были разработаны для изготовления ИС площадью не более 800 квадратных миллиметров. Но теперь мы можем расширить масштабы интегральной системы за рамки этих возможностей".
"Закрепив несколько чипов на большом интерпозере - куске кремния, в который интегрированы межсоединения, - мы можем создать систему, содержащую гораздо большее количество устройств, чем это возможно на одном чипе. Например, технология CoWoS (chip-on-wafer-on-substrate) компании TSMC позволяет разместить до шести вычислительных чипов на одной подложке, а также дюжину микросхем памяти с высокой пропускной способностью (HBM)".
TSMC уже использовала методику CoWoS при переходе с 7-нм на 4-нм техпроцесс, разместив на той же площади на 50 процентов больше транзисторов по заказу Nvidia и других клиентов. Для производства чипов инновационной компьютерной памяти HBM, используемых в графических процессорах, TSMC применяет технологию Small-Outline Integrated Circuit (SoIC).
Кристалл High Bandwidth Memory состоит из "стопки" чипов динамической памяти с произвольным доступом и интегральной схемы управляющей логики. По данным TSMC, с помощью технологии 3D SoIC были созданы 12-слойные тестовые структуры HBM. "Оптические интерфейсы на основе кремниевой фотоники позволят увеличить энергоэффективность и пропускную способность оптического канала между GPU и GPU, так что сотни серверов смогут вести себя как один гигантский GPU с единой памятью".
Эти инновации, а также достижения в области автоматизации электронного проектирования (EDA), материаловедения и оборудования для фабрик должны обеспечить рост энергоэффективной производительности (EEP) полупроводниковых систем с исторической скоростью - примерно в три раза каждые два года. Показатель EEP представляет собой сочетание энергоэффективности и скорости обработки данных.
Если кому, то это покажется слишком сложным, то так оно и есть. Лю и Вонг и сами говорят: "Дальше развивать полупроводниковые технологии будет все сложнее". Но на помощь уже идет. Это 3Dblox, открытая стандартная система проектирования трехмерных интегральных микросхем, спонсорами которой являются TSMC, Intel, EDA-компании Cadence, Siemens и Synopsis, а также компания Ansys, занимающаяся разработкой инженерного программного обеспечения. Эксперты называют это "моментом Мида-Конвея для 3D-интегральных схем".
В 1978 году профессор Карвер Мид из Калифорнийского технологического института и Линн Конвей из научно-исследовательской компании Xerox PARC создали систему автоматизированного проектирования, которая позволила инженерам разрабатывать очень емкие интегральные схемы без особых знаний о технологии полупроводниковых процессов, необходимых для их изготовления. По словам Лю и Вонга, 3Dblox может выполнить те же задачи при разработке трехмерных интегральных схем и упаковки, предоставляя дизайнерам "свободу действий при проектировании системы 3D IC, независимо от базовой технологии".Плотность вертикальных соединений в 3D-чипах растет примерно такими же темпами, как количество транзисторов в GPU. Во многом благодаря достижениям в области полупроводниковых технологий, показатель, называемый энергоэффективной производительностью, будет увеличиваться в трое каждые два года.
"В эпоху искусственного интеллекта, - предрекают Лю и Вонг, - интегрированная система ИИ будет состоять из такого количества энергоэффективных транзисторов, какое только возможно, эффективной системной архитектуры для специализированных вычислительных рабочих нагрузок и оптимизированной взаимосвязи между программным и аппаратным обеспечением". Это похоже на разработку процессоров с поддержкой ИИ, большинство из которых производит TSMC.
Тем временем тайваньские средства массовой информации сообщают, что большая часть производственных мощностей TSMC снова запущена. Здания, некоторые элементы оборудования получили небольшие повреждения, но самые важные производственные линии, включая передовые (и очень дорогие) системы EUV-литографии, не пострадали.
На протяжении последних 25 лет компания TSMC использует систему контроля сейсмических воздействий для защиты своих производственных мощностей от землетрясений. В качестве подтверждения эффективности этих мер тайваньское издание DigiTimes сообщает, что потери TSMC от землетрясения 3 апреля после страховых выплат, вероятно, составят около 2 миллиардов тайваньских долларов, или всего 62,2 миллиона долларов США по текущему обменному курсу.