Технология из 80-х: кто возрождает waferscale-процессоры

Идея waferscale-процессоров наделала много шума в 80-х годах прошлого века, но оказалась забытой на десятилетия из-за сложности производства. Сегодня технологию вновь пытаются развивать. Рассказываем, кто работает в этой области.

^[1]
/ фото timo vn ^[2] CC BY ^[3]

Что такое waferscale

При производстве современных процессоров кремниевая подложка распиливается ^[4] на элементарные кристаллы, из которых потом собирается чип. Технология waferscale ^[5] (WSI) подразумевает создание процессоров (как CPU, так и GPU) на единой полупроводниковой пластине. Такой подход увеличивает производительность системы: компоненты размещаются ближе, поэтому данные передаются быстрее.

В 1970-х и 1980-х годах технологию WSI предлагали использовать для создания чипов для суперкомпьютеров. Однако от этой идеи было решено отказаться — при производстве в чипах возникало слишком много дефектов.

Например, в этой сфере работал стартап Trilogy Systems, который тогда стал самым финансируемым в Кремниевой долине — он получил ^[6] $230 млн инвестиций. Но компании так и не удалось сформировать надежный техпроцесс. В 1985 году Trilogy прекратила исследования в области WSI и обанкротилась, что отрицательно сказалось на репутации waferscale-процессоров в целом.

Только недавно о WSI снова заговорили как о перспективном направлении. К примеру, ожидается, что такие устройства помогут повысить производительность ИТ-инфраструктуры в дата-центрах. Интерфейсы для передачи данных между компонентами сервера часто оказываются ^[7] «бутылочным горлышком». Waferscale-системы, за счет размещения части компонентов на одной подложке, могут помочь решить проблему пропускной способности.

Кто развивает технологию

Организациями, развивающими waterscale-процессоры сегодня, являются ^[8] Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне. В начале февраля этого года сотрудники вузов предложили создать систему, которая объединит на одной кремниевой десятки графических процессоров. Проект получил название Silicon Interconnect Fabric, или Si-IF.

Инженерам удалось создать два прототипа на 24 и на 40 GPU. Разработчики провели сравнительные тесты с классическими устройствами (с аналогичным числом вычислительных модулей) — производительность Si-IF-устройств оказалась выше в 2,5–5 раз. Потенциально технология может ускорить работу серверов на базе графических процессоров в дата-центрах.

Waferscale-процессорами с 2012 года занимается и тайваньский производитель TSMC. Их технология называется ^[9] CoWoS — «чип на пластине на подложке». На кремниевом мосту (interposer) размещаются GPU и память, FPGA и память или сетевые контроллеры. Затем мост устанавливается на монтажную плату и «упаковывается» как обычный процессор. Решение уже используется в реальных устройствах, например ^[10] графических чипах Nvidia серии Volta.

Также разработкой технологии занимаются инженеры в рамках проекта WIPE, который входит в европейскую инициативу по созданию инновационных решений Horizon 2020 ^[11]. В составе WIPE семь участников, среди которых — IBM, бельгийский центр микроэлектроники iMinds и ряд исследовательских институтов.

/ фото Enrique Jiménez ^[12] CC BY-SA ^[13]

Организация предлагает ^[14] создать процессор для работы с оптоволоконными сетями. В нем модуль для преобразования оптического сигнала в электрический будет расположен над кремниевой пластиной с чипами и связан с ней напрямую через металлические контакты. Исследователи ожидают, что такая архитектура будет потреблять меньше энергии и работать быстрее, чем традиционные системы с раздельными трансиверами и процессорами.

Каковы перспективы

Эксперты ожидают ^[15], что развитие WSI-процессоров поможет дата-центрам увеличить мощность серверов для ресурсоемких задач, например обучения нейросетей. По некоторым данным, над waferscale-процессором для машинного обучения уже работает стартап Cerebras — хотя сама компания скрывает подробности разработки.

Ещё одно преимущество WSI — простота управления. Для операционных систем и других программ waferscale-устройства выглядят не как несколько отдельных процессоров, а, например, как один большой GPU. Это упрощает работу программистов и системных администраторов, которым не нужно по отдельности настраивать каждый модуль waferscale-системы.

Но у waferscale-процессоров есть и ограничение ^[16], которое делает сложным масштабирование ИТ-инфраструктуры. Системы питания в WSI-чипах требуют установки регуляторов напряжения. Эти блоки занимают место, на котором можно было бы разместить дополнительные вычислительные модули. Ещё одно ограничение для waferscale-процессоров связано с охлаждением устройств. Высокая плотность модулей на чипе усложняет ^[17] отведение тепла.

Но по мнению специалистов, эти проблемы преодолимы ^[18] и сейчас для возрождения WSI настало подходящее время. С 1980-х технологии производства процессоров стали более совершенными, количество дефектов сократилось. Поэтому можно ожидать, что в ближайшее время будет появляться все больше проектов, посвященных разработке waferscale-устройств.

• Как IaaS помогает развивать бизнес: три задачи, которые решит облако ^[19]
• Что скрывается за термином vCloud Director – взгляд изнутри ^[20]
• Распределенный брандмауэр в vCloud Director 8.20: особенности решения ^[21]

И в Telegram-канале:

• Облачные хранилища — какими они бывают? ^[22]
• Узнать за 60 секунд: что такое конвергентная и гиперконвергентная инфраструктура ^[23]
• 5 инструментов для управления облаком ^[24]

Автор: it_man

Источник ^[25]