7月31日消息，美媒日前報(bào)道稱，目前最強(qiáng)大的芯片作用越來(lái)越大，但它們幾乎不能再被稱為“微型芯片”。

由于各行各業(yè)都需要速度更快、功能更強(qiáng)大的芯片，而通過(guò)縮小晶體管的方法正進(jìn)入瓶頸。于是工程師們將微芯片堆疊起來(lái)，最終促使“巨芯片”迅速崛起。在某些情況下，它們正在達(dá)到幾乎從未見(jiàn)過(guò)的龐大體積。

目前，大多數(shù)芯片的尺寸都與硬幣相當(dāng)，然而有些芯片實(shí)際上已經(jīng)大到類似信用卡。在極端情況下，甚至可以如餐盤大小。

這些超級(jí)芯片不僅出現(xiàn)在地球上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)上，也出現(xiàn)在日常用品上。比如，微軟Xbox和索尼PlayStation5都使用了由AMD設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。蘋果在Mac Studio搭載的M1 Ultra也采用了這種設(shè)計(jì)方法。

但這些巨芯片給工程師們帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诿芗庋b的電路中進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的熱量。盡管它們通常更環(huán)保，但它們的巨大尺寸也意味著它們經(jīng)常需要消耗更多的能量。例如，英特爾的Ponte Vecchio芯片在每次計(jì)算時(shí)更環(huán)保，但仍需要消耗600瓦能源，這足以啟動(dòng)并運(yùn)行吹風(fēng)機(jī)。如果你問(wèn)為什么巨芯片尚未被用于手機(jī)上，這就是限制因素之一。

從某種程度上說(shuō)，巨芯片只是一種推動(dòng)摩爾定律進(jìn)化的方法。英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）曾說(shuō)過(guò)，每?jī)赡曜笥遥酒系木w管數(shù)量就會(huì)翻一倍。巨芯片只是業(yè)內(nèi)最新的創(chuàng)新產(chǎn)品，承諾提供更高的效率。

荷蘭ASML公司實(shí)際上壟斷了芯片制造設(shè)備的生產(chǎn)，這些設(shè)備對(duì)于生產(chǎn)世界上最先進(jìn)的芯片和最小的晶體管非常重要。但即便如此，該公司也表示，要維持摩爾定律的運(yùn)行，僅僅把芯片上的晶體管做得更小依然不夠。在2021年9月面向買家的演示中，ASML公司談到了“系統(tǒng)擴(kuò)展”的概念。ASML發(fā)言人證實(shí)，該公司認(rèn)為系統(tǒng)擴(kuò)展是對(duì)縮小微芯片選擇范圍工作的補(bǔ)充。

借用城市的比喻來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)大都市不能縮小其住房規(guī)模或使其交通變得更加環(huán)保，那么除了不斷向外擴(kuò)張，它可能沒(méi)有其他選擇。

封裝+芯粒

不過(guò)，制造巨芯片并不容易，部分原因在于，這意味著要以納米級(jí)的精度將每個(gè)芯片部件移動(dòng)到位，并在沒(méi)有微型焊槍的情況下將它們連接起來(lái)。

這在很大程度上是由于芯片行業(yè)長(zhǎng)期忽視的一個(gè)領(lǐng)域，即“封裝”。

在傳統(tǒng)設(shè)備中，接收和發(fā)送無(wú)線電波的芯片(比如通過(guò)Wi-Fi通話)可以連接到其他不同的芯片進(jìn)行通用計(jì)算，它們之間的連接實(shí)際上被稱為“總線”。但就像它在現(xiàn)實(shí)世界中的地位一樣，這種“巴士”很難在相鄰的“硅城市”之間快速運(yùn)輸東西。巨芯片的新封裝作為替代方案可以立即將這兩個(gè)芯片連接起來(lái)。其結(jié)果就像是將所有這些芯片集中在一個(gè)屋檐下，并且不斷加高。

IBM封裝改進(jìn)部的前主管、現(xiàn)在洛杉磯加州大學(xué)教授蘇布拉曼尼亞·艾爾（Subramanian Iyer）說(shuō)，傳統(tǒng)的微芯片應(yīng)該占用其幾乎三分之一的空間，同時(shí)需要消耗大量的能源才能將芯片的計(jì)算結(jié)果傳遞給剩余部分的電路。堆疊芯片使它們之間的通信更快，因?yàn)檫@允許它們之間有許多額外的連接，就像在摩天大樓之間乘坐電梯遠(yuǎn)比在整個(gè)建筑中穿梭更快一樣。

使巨芯片和芯片堆疊起來(lái)的重要紐帶是一種全新的微芯片，稱為“芯粒”。它消除了許多老式的電路，用不同的芯粒支持即時(shí)通信。通過(guò)制造許多簡(jiǎn)單、直接的連接，這些芯粒可以與不同的芯片融合，形成巨芯片。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的電氣工程教授拉凱什·庫(kù)馬爾(Rakesh Kumar)說(shuō)，構(gòu)成巨芯片的不同芯粒之間的直接通信使它們能像單個(gè)的大微處理器那樣運(yùn)行。

英特爾最近發(fā)布的Ponte Vecchio圖形處理器就是個(gè)典型的例子。每個(gè)Ponte Vecchio都由63個(gè)完全不同的芯粒組成。這些芯粒堆疊在最好的位置上，然后相互擠在一起，有3個(gè)100平方毫米的完整空間，可容納1000億個(gè)晶體管。與之相比，筆記本電腦內(nèi)核上的日常芯片小于150平方毫米，大約有15億個(gè)晶體管。

堆疊芯粒的使用顯然是英特爾處理器的發(fā)展方向，其大多數(shù)已經(jīng)發(fā)布但尚未上市的服務(wù)器、臺(tái)式電腦和筆記本電腦處理器都采用了這種技術(shù)。英特爾高級(jí)研究員達(dá)斯·夏爾馬（Das Sharma）說(shuō)，這種方式“為芯片制造提供了一種全新的方法，比傳統(tǒng)方法更快，更具成本效益”。

他指出，堆疊芯粒還允許英特爾在不增加其(二維)足跡或整體能源消耗的情況下，擴(kuò)展其下一代臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器芯片的效率。芯片使用的能源是重要的設(shè)計(jì)因素，而節(jié)能是該行業(yè)的最高優(yōu)先事項(xiàng)之一。堆疊芯粒可以讓工程師通過(guò)節(jié)省芯片各種元件通信所需的時(shí)間和能量，從當(dāng)前的設(shè)計(jì)中擠出額外的空間。但當(dāng)效率優(yōu)先時(shí)，芯粒也可能被用來(lái)制造更大的微芯片，盡管會(huì)更加耗能。

AMD是當(dāng)今芯片技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)，它已經(jīng)在處理器中提供了幾個(gè)芯粒。該公司發(fā)現(xiàn)，只需在其CPU的主要部分堆疊一個(gè)儲(chǔ)存芯片（PC中執(zhí)行大部分非圖形計(jì)算的芯片），就能夠顯著提高其程序的運(yùn)行速度。

巨頭加入

Ansys公司的產(chǎn)品廣告總監(jiān)馬克·斯威楠（Marc Swinnen）說(shuō)，雖然目前基于芯粒制造的巨芯片數(shù)量可能很少，而且可能只在最強(qiáng)大的程序中使用，但制造它們的模式正在加速。Ansys是一家構(gòu)建人體模擬軟件程序的組織，該程序廣泛應(yīng)用于微芯片設(shè)計(jì)行業(yè)。Ansys的大多數(shù)客戶都不愿具名，不過(guò)三星就是其中之一。Ansys發(fā)言人表示，自2019年以來(lái)，Ansys客戶端采用的堆疊芯片種類增加了20倍。

今年3月，名為“通用芯粒互連快線”(UCIe)的行業(yè)組織介紹說(shuō)，英特爾和AMD已經(jīng)各自推出了通用技術(shù)。這種技術(shù)可以讓任何使用它們的人都有可能創(chuàng)造出與不同生產(chǎn)商制造的芯片相結(jié)合的芯片。該組織成員還包括Arm、臺(tái)積電、三星以及不同的微芯片設(shè)計(jì)和制造巨頭。

UCIe主席、英特爾高級(jí)研究員德本德拉·達(dá)斯·夏爾馬（Debendra Das Sharma）說(shuō)，任何公司遲早都可能從其他公司購(gòu)買芯粒，然后將它們組裝成他們所需要的“拼裝芯片”。

當(dāng)然，這項(xiàng)工作需要大量不同的公司參與。夏爾馬博士說(shuō)，UCIe及其成員將能夠證明，它們最終會(huì)取得成功。但伊利諾伊大學(xué)的庫(kù)馬爾博士并不這么確定。他說(shuō):“在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的行業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化任何東西都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氉龀鐾讌f(xié)，而且不是每個(gè)人都有表現(xiàn)友好的動(dòng)機(jī)。”

整個(gè)行業(yè)對(duì)這種技術(shù)感興趣的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素是，越來(lái)越多的公司（包括亞馬遜、谷歌、微軟、特斯拉和其他公司）希望創(chuàng)造自己的、更強(qiáng)大的微芯片，以支持云計(jì)算、智能手機(jī)、游戲機(jī)到汽車等所有行業(yè)。斯威楠說(shuō)：“現(xiàn)在，許多大公司的全部業(yè)務(wù)幾乎都建立在硅的質(zhì)量上。”

加州大學(xué)洛杉磯分校的Iyer博士說(shuō)，對(duì)巨芯片的興趣還來(lái)自于對(duì)當(dāng)前硬件上的人工智能（AI）和機(jī)器研究程序的強(qiáng)烈呼聲。為了滿足這一需求，有些公司采取了傳統(tǒng)的方式來(lái)制造真正巨大的微芯片。比如，名為Cerebras的初創(chuàng)公司制造了一種芯片，它占據(jù)了一整層硅片，上面有時(shí)會(huì)蝕刻幾十個(gè)微芯片。而另一些公司則與艾爾博士的工作人員一起努力，致力于由芯粒組成的AI超大芯片。

從超級(jí)計(jì)算機(jī)到可穿戴設(shè)備

人們對(duì)巨芯片的熱情表明，它們可能會(huì)在未來(lái)的某個(gè)時(shí)候超越目前的用途。在這種結(jié)構(gòu)中，效率比能耗或電池續(xù)航時(shí)間更受重視。庫(kù)馬爾博士說(shuō)，就像一個(gè)大都市通過(guò)快速交通項(xiàng)目與郊區(qū)聯(lián)系起來(lái)一樣，未來(lái)的芯粒至少可以通過(guò)新的方式在更長(zhǎng)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)連接。

從表面上看，這似乎沒(méi)有什么意義，因?yàn)榘研酒D(zhuǎn)移到更遠(yuǎn)的地方會(huì)增加它們通信的時(shí)間。但它至少帶來(lái)了一個(gè)令人驚訝的好處：可以利用與多功能電路相關(guān)的較小芯片來(lái)構(gòu)建多功能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它甚至可能促使全新芯片誕生。

例如，庫(kù)馬爾博士的工作人員已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，芯粒可能與多功能電路相關(guān)聯(lián)，成為可穿戴程序，或者可能包裹圓形表面的程序，類似于飛機(jī)機(jī)翼。艾爾博士說(shuō)，他的員工正致力于打造一款多功能電話的所有必備組件。

盡管巨芯片的發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，但目前，將微芯片分解成更小的芯粒，然后重新組裝成體積更大、功能更強(qiáng)的巨芯片努力正成為不可阻擋的趨勢(shì)。簡(jiǎn)而言之：芯片的內(nèi)部擴(kuò)張剛剛開(kāi)始。