Кіріспе

Өте үлкен интегралды схема желілерін құру жүйесі.

Вефрлік масштабтағы интеграция (WSI) – бұл бүкіл кремний пластинасынан өте үлкен интегралды схемалар желісін ("чип" деп аталады) құру жүйесі, нәтижесінде бір "суперчип" жасалады. Үлкен өлшем және қысқартылған қаптаманы біріктіру арқасында WSI кейбір жүйелер үшін, әсіресе үлкен параллельді суперкомпьютерлер үшін шығындарды күрт төмендетуге мүмкіндік береді деп күтілген, бірақ қазір терең оқыту саласында қолданылуда. Атауы WSI әзірленген кездегі ең жетілген технология болған өте ірі масштабтағы интеграция терминінен алынған.

Шолу

Қалыпты интегралды схеманы өндіру процесінде кремнийдің бір үлкен цилиндрлі кристаллы (була) жасалады, содан кейін ол дисктерге бөлініп, вафлер деп аталады. Вафлерлер тазартылып, жылтыратылып, өндіріс процесіне дайындалады. Фотографиялық әдіс пластинка бетіне материалды қайда жағу керек және қайда жағуға болмайтынын анықтау үшін қолданылады. Керекті материал жағылады және келесі қабат үшін фотомаска алынып тасталады. Содан кейін вафль осылайша қайта-қайта өңделеді, бетіне қабаттан соң қабат схемалар салынады. Бұл үлгілердің бірнеше көшірмелері вафль бетінде торлы түрде орналасады. Барлық мүмкін орналасқан жерлерге үлгі салынғаннан кейін, вафль беті график қағазы сияқты көрінеді, жеке микросхемаларды бөліп көрсететін тор сызықтары болады. Әрбір торлы орын автоматтандырылған құралдармен өндірістік ақауларға тексеріледі. Ақаулы деп табылған орындар тіркеліп, бояумен белгіленеді (бұл процесс "қалыпты бояу" деп аталады, ал қазіргі заманғы вафль өндіріс технологиялары ақаулы микросхемаларды анықтау үшін физикалық белгілерді қажет етпейді). Содан кейін вафль жеке микросхемаларды бөліп алу үшін кесіледі. Ақаулы микросхемалар тасталады немесе қайта өңделеді, ал жұмыс істейтін микросхемалар қаптамаға салынып, қаптама процесінде зақымдану болмауы үшін қайта тексеріледі. Вафльдердің бетіндегі кемшіліктер мен қабаттау/жабу процесіндегі мәселелерді болдырмау мүмкін емес, және олар кейбір микросхемалардың ақаулы болуына себеп болады. Қалған жұмыс істейтін микросхемалардан түсетін кіріс, вафль мен оны өңдеудің барлық шығындарын, соның ішінде тасталған ақаулы микросхемаларды да қамтуы керек. Сондықтан, жұмыс істейтін микросхемалардың саны неғұрлым көп болса, әрбір микросхеманың құны соғұрлым төмен болады. Өнімді барынша арттыру үшін микросхемаларды мүмкіндігінше кішкентай ету керек, осылайша бір вафльден жұмыс істейтін микросхемалардың көбірек санын алуға болады.

Шығындарды төмендету

Өндіріс шығындарының маңызды бөлігі (әдетте 30-50%) жеке чиптерді сынау және қаптауға байланысты. Чиптерді біртұтас жүйеге қосу (әдетте баспалы тізбек тақтасы арқылы) қосымша шығыстарды тудырады. Вафельдік интеграция бұл шығыстарды азайтуға, сондай-ақ өнімділікті арттыруға, бір қаптамада үлкен чиптер жасауға көмектеседі – принципте, толық вафельдей үлкен чиптерге дейін. Әрине, бұл оңай емес, себебі вафельдегі ақауларға байланысты, вафельге салынған бір үлкен схема көбінесе жұмыс істемейді. Вафельдегі кемшілдік аймақтарды логикалық тұрғыдан өңдеу әдістерін әзірлеу – үздіксіз ізденіс нысаны болып табылады, вафельден оларды кесіп тастаудың орнына. Әдетте, бұл тәсіл тиісті логиканы пайдаланып, зақымдалған аймақтардың айналасын «қайта бағдарлайтын» кіші схемалардың торлы үлгісін қолданады. Егер нәтижесіндегі вафельде жеткілікті жұмыс істейтін кіші схемалар болса, ол ақауларға қарамастан қолданылуы мүмкін.

Қиындықтар

Чиптерді өндірудегі шығымның көп бөлігі транзистор қабаттарындағы немесе жоғары тығыздықты төменгі металл қабаттарындағы ақаулардың нәтижесінде туындайды. Басқа бір тәсіл – кремнийлі байланыс құрылымы (Si IF) – ондай ақаулар пластинкада жоқ. Si IF пластинкаға жүйедегі чиптің жоғарғы қабаттарымен шамамен бірдей тығыздыққа ие, салыстырмалы түрде төмен тығыздықты металл қабаттарын ғана жайғастырады, пластинканы тығыз орналасқан кішкентай чиплеттер арасындағы байланыс үшін ғана пайдаланады. Si IF негізіндегі процессорлар мен желілік коммутаторлар зерттелген.

Өндірістік әрекеттер

1970 және 1980 жылдары көптеген компаниялар WSI өндіріс жүйелерін жасауға тырысты, бірақ бәрі сәтсіз аяқталды. Texas Instruments және ITT Corporation бұл мүмкіндікті күрделі конвейерлік микропроцессорларды жасау және олардың үлесін жоғалтып бара жатқан нарыққа қайта оралу жолы ретінде қарастырды, бірақ ешқайсысы да өнім шығармады. Джин Амдал да WSI-ді суперкомпьютер жасау әдісі ретінде дамытуға тырысты, 1980 жылы Trilogy Systems компаниясын құрды және Groupe Bull, Sperry Rand және Digital Equipment Corporation компанияларынан (сондай-ақ басқаларынан) шамамен 230 миллион доллар көлемінде инвестиция тартты. Жоба бойынша 2,5 дюймдік шаршы чиптің төменгі жағында 1200 контакті бар болған. Бұл күш-жігер бірқатар апаттармен қиындыққа тап болды, соның ішінде зауыт құрылысын кешіктірген су тасқыны және кейіннен таза бөлменің ішкі жағын бүлдірген оқиға. Капиталдың шамамен үштен бірін пайдаланғаннан кейін, нәтижесіз қалған Амдал бұл идеяның тек 99,99% өнімділікпен ғана жұмыс істейтінін, ал мұндай көрсеткіштерге 100 жылдың ішінде жете алмайтынын мәлімдеді. 1985 жылы ол Trilogy компаниясының қалған бастапқы капиталын суперминикомпьютерлер өндіретін Elxsi компаниясын сатып алуға жұмсады. Trilogy компаниясының күш-жігері ақырында тоқтатылып, Elxsi компаниясының бөлігіне айналды. 1989 жылы Anamartic компаниясы Айвор Кэтт технологиясына негізделген пластиналық жинақтық жадты жасады, бірақ компания жеткілікті мөлшерде кремний пластиналарын қамтамасыз ете алмады және 1992 жылы жабылды.

Cerebras Systems процессоры

2019 жылдың 19 тамызында американдық компьютерлік жүйелер компаниясы Cerebras Systems терең оқытуды жеделдетуге арналған WSI-нің әзірлеу прогресін таныстырды. Cerebras-тың Wafer Scale Engine (WSE 1) чипі 46,225 мм² (215 мм × 215 мм) – ең ірі GPU-дан шамамен 56 есе үлкен. Ол TSMC компаниясының 16 нм технологиясымен өндірілген. WSE 1 чипі 1,2 триллион транзистор, 400,000 AI ядро, 18 ГБ чиптік SRAM, 100 Пбит/с пластиналық мата өткізу қабілеті және 1,2 Пбит/с I/O пластинадан тыс өткізу қабілетімен жабдықталған. Бағасы мен тактылық жиілігі жарияланбады. 2020 жылы компанияның CS 1 өнімі есептеу сұйықтық динамикасының модельдеуіне қолданылды. NETL-дегі Joule суперкомпьютерімен салыстырғанда CS 1 200 есе жылдам болды, сонымен қатар әлдеқайда аз қуатты тұтындырды. 2021 жылдың сәуірінде Cerebras WSE 2 жариялады, онда транзисторлардың саны екі есеге артты және 100% өнімділікке қол жеткізілді, бұл кез келген өндірістік ақауды айналып өтуге мүмкіндік беретін жүйе құру арқылы іске асырылды.