Wyobraź sobie centrum danych, w którym zamiast dokładania kolejnych szaf z serwerami, po prostu “dobudowuje się piętra” wewnątrz jednego chipu. Każda warstwa to pamięć lub logika, a dane zamiast kluczyć przez rozległe, poziome połączenia, przemieszczają się pionowo, jak windą w wieżowcu. Dla sztucznej inteligencji, która dziś dławi się na wąskich gardłach pamięci i przepustowości, to wizja bardziej rewolucyjna niż kolejny skok z litografii 3 nm na 2 nm. Tę właśnie wizję postanowił sprawdzić w praktyce zespół naukowców ze Stanford, Carnegie Mellon, University of Pennsylvania oraz MIT we współpracy z firmą SkyWater Technology.
Pionowa architektura procesorów rozwiązuje stare problemy
Tradycyjne procesory przypominają rozległe, jednopiętrowe miasteczka, gdzie wszystkie ścieżki danych rozciągają się poziomo. Proponowany przez specjalistów układ to z kolei gęsto zabudowane centrum metropolii, gdzie komponenty układają się pionowo, bo warstwa po warstwie. Taka zmiana perspektywy rozwiązuje dwa zasadnicze problemy. Pierwszy z nich to tak zwana ściana pamięci, czyli moment, w którym procesor staje się tak szybki, że pamięć operacyjna nie nadąża z dostarczaniem mu danych.
Czytaj też: Odkrycia dekady? Badał tajemnice Księżyca i Marsa, a teraz NASA skierowała go ku Ziemi
W płaskich konstrukcjach dane muszą pokonywać długie, zatłoczone trasy, co przypomina próbę dotarcia do celu przez jedno, wąskie skrzyżowanie w godzinach szczytu. Architektura 3D skraca te odległości radykalnie, umieszczając pamięć bezpośrednio nad lub pod jednostkami obliczeniowymi. Drugą barierą jest fizyczna granica miniaturyzacji. Przez lata rozwój polegał głównie na upychaniu coraz mniejszych tranzystorów na tej samej powierzchni. To podejście wyczerpuje się, bo w pewnym momencie prawa fizyki uniemożliwiają dalsze pomniejszanie bez utraty stabilności. Budowanie “w górę” wydaje się więc logiczną alternatywą.
Klucz tkwi w produkcji. Monolityczny proces SkyWater Technology
Pomysł na trójwymiarowe układy nie jest nowy. Rewolucyjny jest natomiast sposób, w jaki nowy procesor został wytworzony. Zamiast produkować oddzielne warstwy i później je precyzyjnie składać, co jest drogie i ryzykowne, inżynierowie zastosowali proces monolityczny. Oznacza to, że każda kolejna warstwa obwodów powstaje bezpośrednio na poprzedniej, bo w jednym, ciągłym cyklu w niższej temperaturze, co chroni delikatne struktury znajdujące się poniżej. Cały proces odbył się w SkyWater Technology, a więc największej czysto amerykańskiej fabryce półprzewodników. Wcześniejsze eksperymenty tego typu często kończyły się w akademickich laboratoriach, bez ścieżki do komercjalizacji. Tutaj od początku celem było stworzenie czegoś, co da się faktycznie wyprodukować.
Czytaj też: Te okna prawie nie tracą ciepła. MOCHI wywróci rynek termomodernizacji do góry nogami
Same liczby imponują, bo w grę wchodzi czterokrotny wzrost wydajności względem chipów 2D, co samo w sobie jest imponującym wynikiem, ale na tym badacze nie mają zamiaru poprzestać. Symulacje wskazują, że bardziej zaawansowane wersje z większą liczbą warstw mogłyby przyspieszyć obliczenia SI i to nawet dwunastokrotnie np. w pracy z dużymi modelami językowymi. Długoterminowo mówi się o poprawie efektywności energetycznej oraz szybkości o dwa, a nawet trzy rzędy wielkości, czyli od stu do tysiąca razy. Brzmi to fantastycznie, ale samo przejście od działającego prototypu do masowej produkcji gotowych produktów, takich jak akceleratory AI dla centrów danych, to droga pełna wyzwań inżynieryjnych i ekonomicznych. Koszty, niezawodność i kompatybilność z istniejącym oprogramowaniem to tylko niektóre z przeszkód.