Введение

Система построения очень больших сетей интегральных схем

Интеграция в масштабе пластины (WSI) – это система создания очень больших сетей интегральных схем (обычно называемых "чипами") из целой кремниевой пластины для получения единого "суперчипа". Благодаря сочетанию больших размеров и упрощенной упаковке, WSI изначально рассматривался как способ существенного снижения стоимости некоторых систем, в частности, массивно-параллельных суперкомпьютеров, но в настоящее время применяется и в задачах глубокого обучения. Название происходит от термина "сверхбольшая интеграция" (very large scale integration), который представлял собой передовой уровень технологий на момент разработки WSI.

Обзор

В обычном процессе производства интегральных схем выращивается один большой цилиндрический кристалл (буль) кремния, который затем разрезается на диски, известные как пластины. Пластины затем очищаются и полируются в подготовлении к процессу изготовления. Фотолитографический процесс используется для нанесения рисунка на поверхность, определяя, где материал должен быть осажден на пластину, а где нет. Желаемый материал осаждается, а фотомаска удаляется для следующего слоя. С этого момента пластина многократно обрабатывается таким образом, нанося слой за слоем схемы на поверхность. Множество копий этих рисунков формируются на пластине в виде сетки по всей ее поверхности. После формирования всех возможных участков, поверхность пластины выглядит как лист клетчатой бумаги, где линии сетки обозначают отдельные чипы. Каждая из этих ячеек сетки тестируется на наличие производственных дефектов автоматизированным оборудованием. Обнаруженные дефектные участки регистрируются и маркируются точкой краски (этот процесс называется "маркировкой дефектного кристалла", однако более современные технологии производства пластин не требуют физической маркировки для идентификации дефектных кристаллов). Затем пластина разрезается на отдельные чипы. Дефектные чипы отбраковываются или перерабатываются, а исправные чипы помещаются в корпус и повторно тестируются на предмет повреждений, которые могли возникнуть в процессе корпусирования. Дефекты на поверхности пластин и проблемы в процессе нанесения слоев/осаждения неизбежны и приводят к появлению дефектных чипов. Выручка от оставшихся исправных чипов должна покрыть все затраты на пластину и ее обработку, включая затраты на отбракованные дефектные чипы. Таким образом, чем больше количество исправных чипов или выше выход годных, тем ниже стоимость каждого отдельного чипа. Чтобы максимизировать выход годных, необходимо делать чипы как можно меньше, чтобы на одной пластине можно было получить большее количество исправных чипов.

Снижение затрат

Значительная часть стоимости изготовления (обычно 30–50%) приходится на тестирование и упаковку отдельных кристаллов. Дополнительные затраты связаны с объединением кристаллов в интегрированную систему (обычно с помощью печатной платы). Интеграция на уровне пластины направлена на снижение этих затрат, а также на повышение производительности, путем создания более крупных кристаллов в одном корпусе – в принципе, кристаллов размером с целую пластину. Разумеется, это непросто, поскольку, учитывая дефекты на пластинах, единый большой дизайн, нанесенный на пластину, почти всегда будет неработоспособным. Постоянной целью является разработка методов обработки дефектных областей пластины с помощью логики, а не их удаления. Как правило, этот подход использует сетчатую структуру подцепей и "перекоммутацию" вокруг поврежденных участков с использованием соответствующей логики. Если полученная пластина содержит достаточное количество рабочих подцепей, ее можно использовать, несмотря на наличие дефектов.

Вызовы

Большая часть потерь выхода при производстве микросхем связана с дефектами в слоях транзисторов или в нижних металлических слоях с высокой плотностью. Другой подход – кремниевая интерконнектная структура (Si IF) – не имеет таких дефектов на пластине. Si IF размещает на пластине только металлические слои относительно низкой плотности, примерно как верхние слои системы на кристалле, используя пластину исключительно для межсоединений между плотно упакованными небольшими чиплетами без корпуса. Процессоры и сетевые коммутаторы на основе Si IF были исследованы.

Попытки производства

Многие компании пытались разработать производственные системы WSI в 1970-х и 1980-х годах, но все потерпели неудачу. Texas Instruments и ITT Corporation рассматривали это как способ разработки сложных конвейерных микропроцессоров и вернуться на рынок, где они теряли позиции, но ни одна из них не выпустила ни одного продукта. Джин Амдал также попытался разработать WSI как метод создания суперкомпьютера, основав Trilogy Systems в 1980 году и привлекая инвестиции от Groupe Bull, Sperry Rand и Digital Equipment Corporation, которые (вместе с другими) предоставили около 230 миллионов долларов США финансирования. Конструкция предусматривала 2,5-дюймовый квадратный чип с 1200 выводами снизу. Эти усилия были омрачены серией катастроф, включая наводнения, которые задержали строительство завода, а затем разрушили внутреннее убранство чистого помещения. Израсходовав около трети капитала, не добившись никаких результатов, Амдал в конечном итоге заявил, что идея сработает только при выходе 99,99%, что не произойдет в течение 100 лет. Он использовал оставшийся начальный капитал Trilogy для покупки Elxsi, производителя супермини-компьютеров, в 1985 году. Проект Trilogy был в конечном итоге закрыт и "превратился" в Elxsi. В 1989 году Anamartic разработала память на основе стека пластин, основанную на технологии Айвора Катта, но компания не смогла обеспечить достаточное количество кремниевых пластин и прекратила свою деятельность в 1992 году.

Процессор Cerebras Systems

19 августа 2019 года американская компания Cerebras Systems представила прогресс в разработке WSI для ускорения глубокого обучения. Чип Wafer Scale Engine (WSE 1) от Cerebras имеет площадь 46 225 мм² (215 мм × 215 мм), что примерно в 56 раз больше площади самого большого кристалла GPU. Он производится компанией TSMC по 16-нм технологическому процессу. WSE 1 содержит 1,2 триллиона транзисторов, 400 000 ядер ИИ, 18 ГБ оперативной памяти SRAM на чипе, пропускную способность внутренней шины 100 Пбит/с и пропускную способность ввода-вывода вне чипа 1,2 Пбит/с. Цена и тактовая частота не разглашаются. В 2020 году продукт компании, CS 1, был протестирован в задачах вычислительной гидродинамики. По сравнению с суперкомпьютером Joule в NETL, CS 1 показал скорость в 200 раз выше, при значительно меньшем энергопотреблении. В апреле 2021 года Cerebras представила WSE 2, с удвоенным количеством транзисторов и заявленным 100% выходом годных, что достигается благодаря разработке системы, способной обходить любые производственные дефекты.