التكامل على مستوى الرقاقة
تُعدّ تقنية التكامل على مستوى الرقاقة ( WSI ) نظامًا لبناء شبكات دوائر متكاملة ضخمة (تُعرف عادةً باسم "الشريحة") من رقاقة سيليكون كاملة لإنتاج "شريحة فائقة" واحدة. وبفضل الجمع بين الحجم الكبير والتغليف المُصغّر، كان من المتوقع أن تُؤدي تقنية WSI إلى خفض تكاليف بعض الأنظمة بشكل كبير، ولا سيما الحواسيب العملاقة ذات المعالجة المتوازية الضخمة ، ولكنها تُستخدم الآن في مجال التعلّم العميق . وقد اشتقّ الاسم من مصطلح " التكامل واسع النطاق جدًا" ، الذي كان يُعتبر أحدث التقنيات عند تطوير تقنية WSI.
ملخص
في عملية تصنيع الدوائر المتكاملة التقليدية، تُنتَج بلورة أسطوانية كبيرة واحدة من السيليكون، ثم تُقطَّع إلى أقراص تُعرف بالرقاقات . بعد ذلك، تُنظَّف الرقاقات وتُصقل استعدادًا لعملية التصنيع. تُستخدم عملية تصوير فوتوغرافي لرسم نمط على السطح يُحدِّد أماكن ترسيب المادة. تُرسَّب المادة المطلوبة، ثم تُزال قناع التصوير الفوتوغرافي للطبقة التالية. ومن ثم، تُعالَج الرقاقة بشكل متكرر بهذه الطريقة، حيث تُضاف طبقة تلو الأخرى من الدوائر على سطحها.
تُطبع نسخ متعددة من هذه الأنماط على الرقاقة على شكل شبكة موزعة على سطحها. بعد طباعة جميع المواقع الممكنة، يبدو سطح الرقاقة كصفحة من ورق الرسم البياني، بخطوط شبكية تحدد كل رقاقة على حدة. يُفحص كل موقع من هذه المواقع الشبكية بحثًا عن عيوب التصنيع بواسطة معدات آلية. تُسجل المواقع المعيبة وتُعلّم بنقطة من الطلاء (تُعرف هذه العملية باسم "تلوين الرقاقة"، ولم تعد تقنيات تصنيع الرقاقات الحديثة تتطلب علامات مادية لتحديد المناطق المعيبة). ثم تُقطع الرقاقة لفصل الرقائق الفردية. تُرمى الرقائق المعيبة أو يُعاد تدويرها، بينما تُوضع الرقائق السليمة في عبوات ويُعاد فحصها للتأكد من عدم وجود أي تلف قد يحدث أثناء عملية التعبئة.
لا يمكن تجنب العيوب على سطح الرقاقات والمشاكل التي تحدث أثناء عملية الترسيب، مما يؤدي إلى تلف بعض الرقاقات الفردية. ويجب أن يغطي العائد من الرقاقات العاملة المتبقية التكلفة الكاملة للرقاقة ومعالجتها، بما في ذلك تكلفة الرقاقات التالفة التي يتم التخلص منها. وبالتالي، كلما زاد عدد الرقاقات العاملة أو زادت الإنتاجية ، انخفضت تكلفة كل رقاقة. ولتحقيق أقصى إنتاجية، يُفضل تصغير حجم الرقاقات قدر الإمكان، للحصول على أكبر عدد ممكن من الرقاقات العاملة من كل رقاقة.
خفض التكلفة
تُشكّل تكلفة اختبار وتغليف الرقائق الفردية جزءًا كبيرًا من تكلفة التصنيع (عادةً ما بين 30 و50%). وتُضاف إلى ذلك تكلفة توصيل الرقائق في نظام متكامل (عادةً عبر لوحة دوائر مطبوعة ). ويهدف التكامل على مستوى الرقاقة إلى خفض هذه التكلفة، وتحسين الأداء، من خلال بناء رقائق أكبر في حزمة واحدة - من حيث المبدأ، رقائق بحجم رقاقة كاملة.
هذا ليس بالأمر السهل، فبالنظر إلى العيوب الموجودة في الرقاقات، فإن تصميمًا واحدًا كبيرًا مطبوعًا على رقاقة واحدة لن ينجح في أغلب الأحيان. وقد كان من الأهداف المستمرة تطوير طرق لمعالجة المناطق المعيبة في الرقاقات باستخدام المنطق، بدلًا من قطعها. عمومًا، يعتمد هذا النهج على استخدام نمط شبكي من الدوائر الفرعية وإعادة توصيلها حول المناطق التالفة باستخدام منطق مناسب. إذا احتوت الرقاقة الناتجة على عدد كافٍ من الدوائر الفرعية العاملة، فيمكن استخدامها رغم وجود العيوب.
التحديات
تنتج معظم خسائر الإنتاج في صناعة الرقائق عن عيوب في طبقات الترانزستور أو في الطبقات المعدنية السفلية عالية الكثافة. أما النهج الآخر، وهو نسيج التوصيل البيني السيليكوني (Si-IF)، فلا يحتوي على أي منهما على الرقاقة. إذ يضع Si-IF طبقات معدنية منخفضة الكثافة نسبيًا على الرقاقة، بكثافة مماثلة تقريبًا لكثافة الطبقات العلوية لنظام على رقاقة ، مستخدمًا الرقاقة فقط للتوصيلات البينية بين رقائق صغيرة مكشوفة ومتراصة بإحكام . [ 1 ] وقد دُرست معالجات [ 2 ] ومفاتيح شبكية [ 3 ] تعتمد على Si-IF .
محاولة إنتاج
حاولت العديد من الشركات تطوير أنظمة إنتاج WSI في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، لكنها فشلت جميعها. رأت كل من شركتي تكساس إنسترومنتس وآي تي تي كوربوريشن في ذلك وسيلة لتطوير معالجات دقيقة معقدة ذات بنية خطية ، والعودة إلى سوق كانتا تتراجعان فيه، لكن لم تُصدر أي منهما أي منتجات.
حاول جين أمدال أيضًا تطوير تقنية WSI كطريقة لصنع حاسوب فائق، فأسس شركة Trilogy Systems عام 1980 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] وحصل على استثمارات من Groupe Bull و Sperry Rand و Digital Equipment Corporation ، الذين قدموا (إلى جانب جهات أخرى) تمويلًا يُقدر بنحو 230 مليون دولار. تطلّب التصميم شريحة مربعة الشكل بحجم 2.5 بوصة (64 ملم) مزودة بـ 1200 طرف في أسفلها.
واجهت هذه الجهود سلسلة من الكوارث، بما في ذلك الفيضانات التي أخرت بناء المصنع وألحقت أضرارًا بالغة بالغرفة النظيفة. وبعد تبديد نحو ثلث رأس المال دون جدوى، أعلن أمدال في النهاية أن الفكرة لن تنجح إلا بنسبة نجاح 99.99%، وهو ما لن يتحقق إلا بعد مئة عام. فاستخدم ما تبقى من رأس مال شركة تريلوجي لشراء شركة إلكسي ، المتخصصة في صناعة الحواسيب فائقة الصغر، عام 1985. وانتهت جهود تريلوجي في نهاية المطاف، وتحولت إلى شركة إلكسي. [ 7 ]
في عام 1989، طورت شركة Anamartic ذاكرة مكدسة من الرقائق تعتمد على تقنية Ivor Catt ، [ 8 ] لكن الشركة لم تتمكن من ضمان إمداد كبير بما فيه الكفاية من رقائق السيليكون وأغلقت أبوابها في عام 1992.
الأجهزة على مستوى الرقاقة قيد الإنتاج
معالج أنظمة سيريبراس
في 19 أغسطس 2019، عرضت شركة أنظمة الكمبيوتر الأمريكية Cerebras Systems التقدم الذي أحرزته في تطوير تقنية WSI لتسريع التعلم العميق . شريحة محرك رقاقة السيليكون (WSE-1) من Cerebras هيتبلغ مساحة شريحة WSE - 1 46225 مم² (215 مم × 215 مم)، أي ما يقارب 56 ضعف مساحة أكبر شريحة GPU. تُصنّعها شركة TSMC باستخدام تقنية 16 نانومتر. تتميز WSE-1 بـ 1.2 تريليون ترانزستور، و400000 نواة ذكاء اصطناعي، وذاكرة SRAM مدمجة بسعة 18 جيجابايت، ونطاق ترددي داخلي على الرقاقة يبلغ 100 بيتابت/ثانية، ونطاق ترددي خارجي للإدخال/الإخراج يبلغ 1.2 بيتابت/ثانية. لم يُكشف عن سعرها أو سرعة معالجها. [ 9 ] في عام 2020، خضع منتج الشركة، CS-1، لاختبارات محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية . بالمقارنة مع حاسوب جول العملاق في مختبر NETL ، كان CS-1 أسرع بمئتي ضعف، مع استهلاك طاقة أقل بكثير. [ 10 ]
في أبريل 2021، أعلنت شركة سيريبراس عن جهاز WSE-2، الذي يحتوي على ضعف عدد الترانزستورات وبمعدل إنتاجية يصل إلى 100%، [ 11 ] وهو ما تحقق من خلال تصميم نظام يمكن فيه تجاوز أي عيب تصنيعي. [ 11 ] نظام سيريبراس CS-2، الذي يتضمن جهاز WSE-2، قيد الإنتاج التسلسلي.
في مارس 2024، أعلنت شركة سيريبراس عن جهاز WSE-3 الذي يتميز بأداء مضاعف مقارنةً بجهاز سيريبراس WSE-2 الذي كان يحمل الرقم القياسي السابق، وذلك بنفس استهلاك الطاقة وبنفس السعر. وهو مُصمم لتدريب الذكاء الاصطناعي ومبني بتقنية 5 نانومتر من شركة TSMC. [ 12 ]
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ بونيت غوبتا وسوبرامانيان إس. آير. "وداعاً، اللوحة الأم. أهلاً، نسيج التوصيل البيني السيليكوني" 2019.
- ↑ سابتاديب بال، دانيال بيتريسكو، ماثيو تومي، بونيت غوبتا، سوبو آير، وراكش كومار. "تصميم معالج على مستوى الرقاقة - دراسة حالة لوحدة معالجة الرسومات" 2019.
- ↑ شوانغليانغ تشين، سابتاديب بال، وراكش كومار. "مفاتيح الشبكة على مستوى الرقاقة" 2024.
- ↑ مقال في مجلة فورتشن حول تاريخ ثلاثية الأفلام ، 1 سبتمبر 1986
- ↑ هل تستطيع ثلاثية الأفلام المضطربة تحقيق حلمها؟ / إريك ن. بيرغ، نيويورك تايمز، 8 يوليو 1984
- ↑ تعريف كلمة "ثلاثية" في موسوعة PCMag
- ↑ إيفور كات: حواسيب الديناصورات ، عالم الإلكترونيات، يونيو 2003
- ↑ "مجموعة رقائق أنامارتيك" . تاريخ الحوسبة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 سبتمبر 2020 .
- ↑ كوتريس، د. إيان. "مدونات هوت تشيبس 31 المباشرة: معالج التعلم العميق من سيريبراس ذو 1.2 تريليون ترانزستور" . www.anandtech.com . مؤرشف من الأصل في 20 أغسطس 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أغسطس 2019 .
- ↑ "شريحة Cerebras بحجم رقاقة السيليكون أسرع بعشرة آلاف مرة من وحدة معالجة الرسومات" . VentureBeat . 17 نوفمبر 2020. تاريخ الاطلاع: 26 نوفمبر 2020 .
- 1 2 كاتريس، د. إيان. "سيريبراس تكشف النقاب عن محركها الثاني على مستوى الرقاقة (WSE2): 2.6 تريليون ترانزستور، إنتاجية 100%" . www.anandtech.com . مؤرشف من الأصل في 20 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يوليو 2021 .
- ↑ "شركة سيريبراس سيستمز تكشف النقاب عن أسرع شريحة ذكاء اصطناعي في العالم تضم 4 تريليونات ترانزستور" . سيريبراس سيستمز . 11 مارس 2024. تاريخ الاطلاع: 19 مارس 2024 .
روابط خارجية
- " دوائر دقيقة عملاقة لأجهزة كمبيوتر فائقة السرعة "، جيم شيفتير، مجلة العلوم الشعبية ، يناير 1984، الصفحات 66-67، 155
- تصنيع أجهزة أشباه الموصلات
- الدوائر المتكاملة