گروهی از پژوهشگران دانشگاه‌های استنفورد، کارنگی ملون، پنسیلوانیا و موسسه فناوری ماساچوست (MIT) با همکاری شرکت SkyWater Technology موفق شدند نخستین تراشه سه‌بعدی یکپارچه (Monolithic ۳D) را در یک کارخانه تجاری آمریکایی تولید کنند؛ دستاوردی که بالاترین چگالی سیم‌کشی عمودی در تراشه‌های سه‌بعدی تا امروز را ثبت کرده و جهشی چشمگیر در سرعت پردازش ایجاد کرده است.

به گزارش sciencedaily، این تراشه نوآورانه که در نشست سالانه IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) ارائه شده می‌تواند محدودیت‌های بنیادی سخت‌افزار‌های فعلی هوش مصنوعی را پشت سر بگذارد و هم‌زمان گامی مهم در تقویت زنجیره تولید داخلی نیمه‌رسانا‌ها در آمریکا به‌شمار می‌رود.

برخلاف تراشه‌های دوبعدی مرسوم که اجزای محاسباتی و حافظه را روی یک سطح تخت کنار هم قرار می‌دهند این تراشه جدید از چندین لایه فوق‌نازک تشکیل شده که به‌صورت عمودی روی هم ساخته شده‌اند. ارتباط‌های عمودی بسیار متراکم میان این لایه‌ها امکان جابه‌جایی سریع داده‌ها بین حافظه و واحد‌های پردازشی را فراهم می‌کند؛ مسئله‌ای که سال‌ها یکی از گلوگاه‌های اصلی پیشرفت پردازنده‌ها بوده است.

آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد عملکرد این تراشه سه‌بعدی نسبت به نمونه‌های دوبعدی متداول حدود یک مرتبه بزرگی (Order of Magnitude) بهبود یافته است. به گفته پژوهشگران این نخستین نمونه‌ای است که هم افزایش عملکرد معنادار را نشان می‌دهد و هم در یک کارخانه تجاری واقعی تولید شده است.

سوبهاشیش میترا، استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه استنفورد و پژوهشگر اصلی این پروژه می‌گوید: این فناوری در را به روی عصر جدیدی از تولید تراشه و نوآوری باز می‌کند. چنین جهش‌هایی برای دستیابی به بهبود‌های هزاربرابری سخت‌افزاری که سامانه‌های هوش مصنوعی آینده به آن نیاز دارند حیاتی است.

عبور از دیوار حافظه و دیوار کوچک‌سازی

سامانه‌های پیشرفته هوش مصنوعی مانند ChatGPT و Claude برای عملکرد موثر به جابه‌جایی سریع حجم عظیمی از داده‌ها میان حافظه و واحد‌های پردازشی نیاز دارند. در تراشه‌های دوبعدی این ارتباط از طریق مسیر‌های محدود و طولانی انجام می‌شود که باعث ایجاد تاخیر و ازدحام داده‌ای می‌شود؛ مشکلی که مهندسان از آن با عنوان دیوار حافظه یاد می‌کنند.

در دهه‌های گذشته صنعت نیمه‌رسانا با کوچک‌سازی ترانزیستور‌ها تلاش کرد این مشکل را کاهش دهد، اما این راهکار نیز به محدودیت‌های فیزیکی خود رسیده است؛ محدودیتی که به دیوار کوچک‌سازی معروف است.

پژوهشگران می‌گویند تراشه سه‌بعدی جدید با یکپارچه‌سازی عمودی حافظه و منطق پردازشی هر دو دیوار را پشت سر می‌گذارد. تاتاگاتا سریمانی، استاد دانشگاه کارنگی ملون و نویسنده ارشد مقاله این ساختار را به آسانسور‌های یک آسمان‌خراش تشبیه می‌کند که امکان جابه‌جایی هم‌زمان افراد بیشتری را میان طبقات فراهم می‌سازد.

تولید یکپارچه در کارخانه تجاری

برخلاف تلاش‌های پیشین که مبتنی بر روی‌هم‌چیدن چند تراشه جداگانه بود این پروژه از روش سه‌بعدی یکپارچه استفاده می‌کند. در این روش، هر لایه مستقیما روی لایه قبلی و در دمای پایین ساخته می‌شود؛ فرآیندی که هم از آسیب دیدن مدار‌های زیرین جلوگیری می‌کند و هم چگالی اتصال‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

نکته کلیدی این دستاورد تولید کامل تراشه در یک کارخانه تجاری آمریکایی است. 

مارک نلسون، معاون توسعه فناوری شرکت SkyWater Technology می‌گوید: تبدیل یک ایده دانشگاهی پیشرفته به چیزی که یک کارخانه تجاری بتواند آن را تولید کند چالش بزرگی است. این پروژه نشان می‌دهد چنین معماری‌هایی فقط در آزمایشگاه قابل‌اجرا نیستند بلکه می‌توان آنها را در داخل کشور و در مقیاس صنعتی تولید کرد.

آزمون‌های اولیه نشان می‌دهد این تراشه در مقایسه با نمونه‌های دوبعدی مشابه تا چهار برابر عملکرد بهتری دارد. شبیه‌سازی نسخه‌های بلندتر با لایه‌های بیشتر نیز از بهبود‌هایی تا ۱۲ برابر در بار‌های کاری واقعی هوش مصنوعی از جمله مدل‌های مبتنی بر LLaMA شرکت متا حکایت دارد.

به گفته پژوهشگران این معماری مسیر دستیابی به بهبود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابری در شاخص محصول انرژی تاخیر (EDP) را هموار می‌کند؛ شاخصی که تعادل میان سرعت و مصرف انرژی را نشان می‌دهد.

آنها تاکید می‌کنند اهمیت این دستاورد تنها در افزایش سرعت خلاصه نمی‌شود بلکه اثبات می‌کند آمریکا می‌تواند نسل بعدی تراشه‌های پیشرفته را طراحی و تولید کند. به باور این تیم همان‌گونه که انقلاب مدار‌های مجتمع در دهه ۱۹۸۰ با آموزش دانشجویان در آزمایشگاه‌های داخلی شکل گرفت آینده سخت‌افزار هوش مصنوعی نیز به نسلی جدید از مهندسان مسلط بر فناوری‌های سه‌بعدی یکپارچه وابسته است.

انتهای پیام/