一颗面积超过46255平方毫米的芯片，开启新时代

技术是世界上最具保护性的实践之一，因为每项发明都建立在它之前的成功和失败之上。

周三，人工智能初创公司 Cerebras Systems 在加利福尼亚州山景城的计算机历史博物馆举行的仪式上因继承了这一传统而受到表彰。博物馆展示了“Wafer-Scale Engine 2”或 WSE-2，这是该公司人工智能芯片的第二个版本，是有史以来最大的计算机芯片。该芯片于去年推出，用于运行 Cerebras 超级计算机 CS-2 的新版本。

Cerebras 的联合创始人兼首席执行官 Andrew Feldman 在通过 Zoom接受ZDNet采访时说：“能够入选计算机历史博物馆的世界知名收藏品是一生的荣幸。”

“你所做的事情的规模非常强大，”计算机历史博物馆总裁兼首席执行官 Dan'l Lewin 在接受 Feldman 的同一次采访时说。“这是前进旅程中的一个里程碑，”Lewin 补充说，“其影响是惊人的。”

Lewin 说，Cerebras 的到来意义重大，不仅是为了技术成就，还因为它对人类的影响，他在管理博物馆时强调了这一点。

“我提出的问题是，在一个没有计算的世界里，作为人类意味着什么？”Lewin 说。

Lewin说，人类正处于一个转折点，计算机技术可以帮助解决气候等重大问题，或者导致某种形式的奴役。

“从我在这个行业积累的经验来看，整个目的——如果你回到 [Douglas] Engelbart [计算机鼠标的发明者] 以及所有演示之母的基本原理——好吧，我们人类创造了成倍增长的问题影响我们。“在全球范围内，我们确实存在许多实际问题，”Lewin 说。他建议，技术可以帮助或使事情变得更糟。

“能够以这种方式优化计算，”他谈到 Cerebras 的芯片时说，“希望能告诉我们，这些技术有更多潜在的积极用途，而不是由于一些商业模式浮出水面而导致的不幸事情。正在有效地对人口进行编程，而他们并没有真正意识到这一点。”

三年前推出的 WSE-2 芯片及其前身标志着晶体管制造史上的划时代成就，晶体管是所有电子产品的组成部分，作为一个集成部件。第一个“平面”集成电路，晶体管作为一个单一的制造对象一起制造，德州仪器工程师杰克基尔比和英特尔创始人鲍勃诺伊斯在 1960 年代初期同时取得了突破，但仅结合了少数晶体管。

然后，在 1965 年，另一位英特尔创始人戈登·摩尔 (Gordon Moore) 假设改进的制造方法将导致集成在单个硅芯片上的晶体管数量呈指数级增长。他的猜测被证明是正确的，后来被称为“摩尔定律”。晶体管的增长现象使数字时代成为可能，从小型计算机到个人计算机，再到智能手机，再到数据网络，再到嵌入汽车和物联网的电子产品。

WSE-2 芯片使用 2.6 万亿个晶体管，几乎是 Nvidia 目前最大的 GPU 芯片的 50 倍，其硅基板面积为 46 平方毫米，几乎是一个 12 英寸的半导体晶圆的全部，通常从中切割出许多芯片.

该芯片包含 850,000 个单独的“内核”，用于并行处理 AI 指令。

WSE 技术实现了芯片世界几十年来一直在进行的一项探索，即制造可以利用整个晶圆的单个芯片。Cerebras 的成功部分来自于回顾过去的失败并找到解决问题的新方法。

Cerebras 的Feldman说：“这对我们来说意义重大，该机构已经认识到以前在其他机构中失败和烧毁的努力的范围，“即使是我们行业的一些创始人——甚至 Gene Amdahl 也无法做到让它工作。”

大型机计算机先驱 Gene Amdahl 曾在 1980 年代后期尝试制造这样一个整体部件，但失败了。他的尝试在芯片行业形成的非常普遍的印象是，制造晶圆大小的单芯片非常困难，几乎不可能。

“当我们回去重新检查时，部分是纪律，不要接受无法做到的公认智慧，看看事实上什么是不能做的，什么时候做的，取得了什么进展， ”Feldman谈到 Cerebras 的方法时说。

“当你回顾说 Gene Amdahl 在晶圆规模上失败时，他是在 2 英寸晶圆上构建它，”Feldman解释道。“他的晶圆比今天每个人制造的都小，没有人考虑过这一点，以及他们拥有的工具。”

自那时以来，硅制造工艺和芯片设计软件工具的进步意味着，当 Cerebras 三十年后解决这个问题时，晶圆级的尝试更加可行。“我们使用的元素数量是其他人发明的，以便向前迈出一大步，”Feldman说。

至于其影响，网络和计算技术领域的连续创业者Feldman也注意到，他们的成就所带来的影响往往让发明家和企业家望而却步。

“在我职业生涯的早期，我们制造了早期的交换机和路由器，使 IP 交换几乎免费，而我们所有人——思科、瞻博网络和 3Com——我们从未想过像 WhatsApp 这样的东西会改变世界，”他所指的是Meta Properties 的免费 Internet 通信应用程序。

“我们知道，如果你让沟通几乎免费，好事就会发生，”他说。“当你踏上这条轨迹时，各种各样的其他东西都会出现并建立在你之上，其他人会做你无法想象的事情。”

Lewin 说，Cerebras 的突破在某种意义上与扩大人们使用数字工具的途径有关，而这些工具以前是专家的专属领域。

“行业经历了从垂直到水平的转变，”Lewin 说。“曾经有这些非常垂直的大型行业，其目标是自动化诸如文字处理行业和 CAD/CAM 作为一个行业的合理任务，”他指的是计算机辅助设计。微处理器的进步导致了诸如 Microsoft Office 之类的横向应用程序，这些应用程序使以前的垂直行业“被很多人所接受”。

Lewin说，博物馆的奖项是对未来的一瞥，也是对过去的反思。“历史不是关于过去，而是关于现在与过去的对话，”Lewin 说。

他举了一个硬件和软件之间创造性辩证法的例子。

在几年前的颁奖典礼上，编程先驱 Grady Booch 因其多项发明（例如统一建模语言）而受到表彰。“这是软件，软件，软件，”Booch告诉观众，Lewin回忆道。

“Gordon Moore 站起来微笑着说，‘软件很有趣，但它必须在某些东西上运行，’”Lewin 回忆道。

“因此，通过利用这种巨大的能力并以这种方式对其进行优化，这种握手和加速的机会将有助于推动这些变化，这些从水平到垂直的转变——它们正在被及时压缩。”

作为旅程中的一个里程碑，Feldman 表示 WSE-2 技术应该会持续一段时间。“我认为这是在量子[计算]到来之前我们拥有的最好的，我很舒服，这将是一段时间，”他说。

就像获得终身成就奖一样，进入博物馆的荣誉几乎就像事情的结束一样。费尔德曼坚信博物馆的认可是事情的开始。

“博物馆通常是过去的仓库，”Feldman说。“我们现在正在一些开创性技术的支持下建立一家伟大的公司，我们不要忘记这一点：两者都很难。”

硅芯片或集成电路 (IC) 是人类最宏伟、最复杂、最具变革性的创造之一。

IC 本身是由许多晶体管（小开关）组成的硅三明治，这些晶体管（小开关）连接在一起形成电路。自从 Robert Noyce 和 Jack Kilby 在 1958-59 年共同发明 IC 以来，晶体管密度不断提高。你可以在航天器、航空、通信以及对我们大多数人来说最明显的那个时代的消费产品中看到这种变化。例如，在 IC 的早期，最早的产品之一是基本的四功能 1973 Sears/Bowmar 手持计算器。六十年后，热门的消费产品是一款连接到互联网“世界大脑”的语音激活智能手机——这出现在一代人之前的科幻小说里。

到达那里花了很长时间，但进展很稳定：自从 Fairchild Semiconductor 化学工程师 Gordon Moore 于 1965 年首次撰写有关 IC 的文章以来，大约每 18-24 个月，集成电路上的晶体管数量就会翻一番。允许这一点的基本过程是光刻，如果你把它分解成它的希腊起源，它的意思是“用光在石头上书写”。下面的图 1 显示了总体思路。

光（通常是紫外线）通过模板照射，其图案是 IC 设计人员想要烧入芯片的图案。在此之前和之后应用特殊化学品，并重复该过程，直到形成由多层组成的三明治，并且 IC 完成并准备好进行封装。

计算机设计师 Gordon Bell 曾经指出，在完全依赖 IC 的计算机中获得尽可能高的速度通常与“pipeline和封装”有关。由于集成电路运行得越快就会变得越热，因此高速计算机不得不担心保持芯片冷却。我们可以看到，这种限制与传奇超级计算机设计师 Seymour Cray 的几项专利与保持其世界领先的计算机系统冷却的方法有关。对于总是挑战可能性极限的Cray 来说，防止系统烧毁与设计快速电路同样重要。

Cerebras 是一家资金雄厚的硅谷初创公司，它开发了一种最巧妙、技术上最优雅的解决方案，以解决在芯片上“塞满”（用 Gordon Moore 的话）更多晶体管同时保持芯片冷却的问题。事情能推多远？答案令人震惊：在一块巨大的单方形硅片上，一侧约 8.5 英寸，Cerebras 晶圆级引擎 (WSE) 拥有 2.6 万亿个晶体管，构成 850,000 个 AI 优化处理单元。（图 2。）WSE 中晶体管的尺寸为 7 纳米。人类 DNA 为 2.5 纳米。到目前为止，在这个 Cerebras 芯片中的晶体管数量比博物馆永久收藏的所有 100,000 个计算对象的总和还要多。

WSE 的聪明之处在于其设计和制造在很大程度上遵循了现有的行业流程和方法。他们独特的天才在于为 WSE 提供了一个最先进的生态系统——一个为其提供电力、冷却和通信的生态系统。

要实现这一点，Cerebras 不依赖于一些奇特的新方法或技术，而是依赖于现有的半导体制造工艺——只需稍微修改它们。（例如，当您将一块标准的 300 毫米晶圆切割成正方形时，剩下的 8.5 英寸的侧面占位面积）。

考虑到这些线程——封装、冷却和晶体管密度——这个惊人的芯片在封装后会是什么样子？（图 3）WSE 本身位于中间，在一些非常硬核的硬件中显得相当精致。不过，这种周边技术是 WSE 运作的关键，因为它既通过一些非常严格的连接器系统将 WSE 连接到外部世界，又通过它接触的冷板抽水以保持凉爽（再次是贝尔和克雷），并提供了令人惊叹的20 kW 的电力为数以万亿计的晶体管供电。顺便说一句，这足以为大约五个美国家庭供电。这听起来很多，但实际上每个晶体管只有几十亿分之一瓦。当您将普通计算机的机架缩小到单个芯片时，您必须解决这些工程问题。

Cerebras 晶圆级引擎的规模、雄心和性能几乎超出想象。

由于对大规模集成的所有关注（将所有东西放在一个巨大的芯片上并有效地封装它），一个典型的 Cerebras 系统的大小约为使用“古老方式”将数十万个芯片连接在一起的等效计算机系统的 1/10在单独的电路板上，在单独的机柜中，然后将它们连接在一起。当被问及为什么他不喜欢在他的超级计算机中使用多个小型处理器时，传奇计算机设计师 Seymour Cray 打趣道：“你宁愿用什么来拉犁？一头大公牛还是 64 只鸡？”

那么，你想知道 WSE 中这些数万亿个晶体管的用途是什么？

WSE for AI 的杀手级应用程序是减少神经网络训练时间——使 AI 变得“智能”的网络。WSE 可以完成其他计算机需要数周才能完成的任务，并在几分钟内获得结果。

训练时间大幅减少的结果意味着人工智能实验的答案可以在几分钟或几小时内完成，而不是几天。这加快了药物发现，可以为癌症的潜在治疗方法建模，进行图像处理，并在我们的世界需要面对未来挑战的数十种新的人工智能应用中工作。

由于随着时间的推移，未来世界的很多地方都将受到基于人工智能的技术的影响，WSE 是一个值得收藏的重要里程碑，这就是为什么博物馆特别高兴将这个令人惊叹的设备的一个例子带入其永久收藏中的原因. 从 2022 年 8 月 9 日起，WSE 将在 CHM 主大厅附近限时展出。请亲自参观并查看这个罕见的设备。你会感到惊讶。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第3122内容，欢迎关注。