Tăng tốc đổi mới sản xuất chip cho kỷ nguyên AI tiết kiệm năng lượng

Bài viết được tài trợ này được Ứng dụng Tài liệu mang đến cho bạn. Vào những thời điểm then chốt của lịch sử, sự tiến bộ đòi hỏi nhiều hơn sự tài giỏi của mỗi cá nhân. Những đột phá mang lại kết quả lớn nhất - chẳng hạn như những đột phá đạt được trong Dự án Bộ gen Người - đòi hỏi một mô hình hoạt động mới: Tập trung những tài năng xuất sắc nhất thế giới vào một nhiệm vụ duy nhất, thiết lập một nền tảng chung, chia sẻ cơ sở hạ tầng quan trọng và thu gọn các vòng phản hồi. Khi rủi ro cao và các mốc thời gian bị nén lại, sự đổi mới tuần tự và trì trệ đơn giản là không thể theo kịp. Kỷ nguyên AI ngày nay đang tạo ra một cuộc chạy đua kỹ thuật với những yêu cầu tương tự. Mọi công ty đều đang nỗ lực cung cấp các hệ thống AI hiệu suất cao hơn, nhanh hơn. Nhưng hiệu suất không còn được xác định chỉ bằng tính toán nữa. Khối lượng công việc AI ngày càng bị chi phối bởi sự chuyển động của dữ liệu: Trong nhiều trường hợp, các bit di chuyển tiêu tốn nhiều — hoặc nhiều — năng lượng hơn so với chính việc tính toán. Do đó, việc giảm năng lượng trên mỗi bit có thể nâng cao hiệu suất ở cấp hệ thống cùng với mức tăng về khả năng điện toán cao điểm. Do đó, con đường dẫn đến AI tiết kiệm năng lượng phải thông qua kỹ thuật cấp hệ thống, trải rộng trên ba lĩnh vực được kết nối chặt chẽ với nhau: Logic, trong đó hiệu suất trên mỗi watt phụ thuộc vào việc chuyển mạch bóng bán dẫn hiệu quả, mức tổn thất điện năng thấp và khả năng truyền tín hiệu qua các dãy dây dày đặc. Bộ nhớ, nơi nhu cầu về băng thông và dung lượng ngày càng tăng đã làm lộ ra bức tường bộ nhớ, với khả năng của bộ xử lý tiến triển nhanh hơn khả năng truy cập bộ nhớ. Quy trình đóng gói nâng cao, trong đó tích hợp 3D, kiến ​​trúc chiplet và kết nối mật độ cao đưa điện toán và bộ nhớ đến gần nhau hơn — khiến cho các thiết kế hệ thống mà quy mô nguyên khối không thể duy trì được nữa. Các miền này không còn có thể được tối ưu hóa độc lập nữa. Tăng hiệu suất logic khi không có đủ băng thông bộ nhớ. Những tiến bộ về băng thông bộ nhớ sẽ không còn hiệu quả nếu việc đóng gói không thể mang lại sự gần gũi trong giới hạn về nhiệt và cơ học. Ngược lại, việc đóng gói bị hạn chế bởi độ chính xác của cả quy trình chế tạo thiết bị đầu cuối và tích hợp mặt sau. Trong kỷ nguyên angstrom, các vấn đề khó khăn nhất nảy sinh ở ranh giới — giữa điện toán và bộ nhớ trong gói, tích hợp giao diện người dùng và mặt sau cũng như các bước quy trình được liên kết chặt chẽ cần thiết để chế tạo 3D chính xác. Và chính sự phức tạp do ranh giới định hướng này là nơi mô hình đổi mới truyền thống bị phá vỡ. Quy trình làm việc R&D truyền thống quá chậm đối với AI thời đại Angstrom Trong nhiều thập kỷ, mô hình R&D của ngành bán dẫn giống như một cuộc chạy đua tiếp sức. Các khả năng được phát triển trong một phần của hệ sinh thái, được chuyển giao xuôi dòng thông qua tích hợp và sản xuất, được đánh giá bởi các nhà thiết kế chip và hệ thống, sau đó chỉ được phản hồi lại cho lần lặp tiếp theo. Mô hình đó hoạt động khi tiến trình bị chi phối bởi các bước tương đối mô-đun có thể mở rộng quy mô một cách độc lập và đơn giản được đưa vào quy trình sản xuất. Nhưng dòng thời gian AI đã đảo ngược những quy tắc này. Ở các kích thước quy mô angstrom, vật lý thực thi sự kết hợp không thể tránh khỏi trên toàn bộ ngăn xếp: các lựa chọn vật liệu định hình các sơ đồ tích hợp; tích hợp xác định các quy tắc thiết kế; quy tắc thiết kế quy định việc cung cấp điện; bộ dây điện dự trữ nhiệt; và nhiệt cuối cùng hạn chế việc mở rộng quy mô đóng gói. Các kiến ​​trúc sư hệ thống đơn giản là không thể đợi 10–15 năm để mỗi bước chuyển biến công nghệ bán dẫn chính trưởng thành. Với khoản đầu tư khoảng 5 tỷ USD, EPIC là cam kết lớn nhất đối với hoạt động R&D thiết bị bán dẫn tiên tiến trong lịch sử Hoa Kỳ. Tầm nhìn dài hạn là điều cần thiết để điều chỉnh đổi mới vật liệu phù hợp với kiến ​​trúc thiết bị mới nổi — đồng thời phát triển các công cụ và quy trình cần thiết để tích hợp cả hai với độ chính xác có thể sản xuất được. Tại Ứng dụng Vật liệu, cùng với các khách hàng của mình, chúng tôi đang lập kế hoạch cho 3–4 thế hệ tiếp theo, kéo dài tới 10 năm theo lộ trình. Kỷ nguyên angstrom đòi hỏi chúng ta phải phá vỡ các rào cản và tập hợp những bộ óc giỏi nhất trong ngành - từ các công ty hàng đầu đến các tổ chức học thuật hàng đầu. Nếu vấn đề được kết hợp thì giải pháp phải được kết hợp. Nếu dòng thời gian bị nén thì vòng lặp học tập cũng phải được nén. Chỉ đổi mới thôi là chưa đủ - chúng ta phải đổi mới cách chúng ta đổi mới. EPIC: Trung tâm và nền tảng cho sự đồng đổi mới tốc độ cao Đây chính là thách thức mà Trung tâm EPIC Vật liệu Ứng dụng được thiết kế để giải quyết. Với khoản đầu tư khoảng 5 tỷ USD, EPIC là cam kết lớn nhất đối với hoạt động R&D thiết bị bán dẫn tiên tiến trong lịch sử Hoa Kỳ. Khi khai trương vào năm 2026, nó sẽ cung cấp năng lực phòng sạch hiện đại được xây dựng từ đầu để rút ngắn khoảng cách từ nghiên cứu giai đoạn đầu đến sản xuất toàn diện. Nhưng cơ sở vật chất chỉ là một thành phần của mô hình. EPIC cũng là một nền tảng, một hệ điều hành dành cho đồng đổi mới tốc độ cao nhằm cách mạng hóa cách chuyển các ý tưởng từ phòng thí nghiệm sang nhà máy. EPIC là một nền tảng, một hệ điều hành dành cho đồng đổi mới tốc độ cao nhằm cách mạng hóa cách chuyển các ý tưởng từ phòng thí nghiệm sang nhà máy. Vật liệu ứng dụng Mô hình EPIC nén quy trình làm việc truyền thống. Các kỹ sư của khách hàng làm việc song song với các nhà công nghệ Ứng dụng ngay từ ngày đầu tiên - vượt ra ngoài việc tối ưu hóa quy trình biệt lập và chuyển giao tiếp theo. Trong một môi trường chung, an toàn, EPIC tích hợp chặt chẽ mô hình nguyên tử, phương tiện thử nghiệm, phát triển quy trình, xác nhận và phản hồi đo lường. Những hạn chế từng xuất hiện muộn trong quá trình phát triển sẽ được xác định và giải quyết sớm. Kết quả là một con đường có thể nhanh hơn gấp 2 lần, mang lại lợi ích cho toàn bộ hệ sinh thái dưới một mái nhà: Các nhà sản xuất chip có quyền truy cập sớm hơn vào danh mục R&D của Ứng dụng, chu kỳ học tập nhanh hơn và đẩy nhanh việc chuyển giao công nghệ thế hệ tiếp theo sang sản xuất khối lượng lớn. Các đối tác của hệ sinh thái có được khả năng tiếp cận sớm hơn với công nghệ sản xuất tiên tiến và các cơ hội hợp tác nhằm mở rộng những gì có thể thông qua đổi mới vật liệu. Các tổ chức học thuật có cơ hội củng cố quy trình từ phòng thí nghiệm đến nhà chế tạo và giúp phát triển tài năng bán dẫn trong tương lai. Dựa trên nhiều thập kỷ hợp tác phát triển, chúng tôi đang đổi mới quy trình đổi mới với các đối tác của mình trên khắp thế giới.