Построенный на американском заводе, обеспечивает значительный прирост скорости
Для тестирования новых чипов исследователи использовали специальную машину, подобную той, что показана здесь, для автоматической электрической характеристики конструкций на пластине чипов.
Совместная команда создала первый монолитный 3D-чип, построенный на американском заводе, обеспечив самую плотную проводку 3D-чипов и прирост скорости на порядок.
Инженеры из Стэнфордского университета, Университета Карнеги-Меллона, Пенсильванского университета и Массачусетского технологического института сотрудничали со SkyWater Technology — крупнейшей исключительно американской компанией по производству полупроводников, чтобы создать новый многослойный компьютерный чип, архитектура которого может помочь открыть новую эру аппаратного обеспечения ИИ и отечественных полупроводников.
В отличие от сегодняшних в основном плоских 2D-чипов, ключевые ультратонкие компоненты нового прототипа поднимаются, словно этажи в высоком здании, а вертикальная проводка действует как многочисленные высокоскоростные лифты, обеспечивающие быструю и масштабную передачу данных. Рекордная плотность вертикальных соединений и тщательно переплетённое сочетание памяти и вычислительных блоков помогают чипу обойти узкие места, которые долгое время замедляли развитие плоских конструкций. В аппаратных испытаниях и симуляциях новый 3D-чип примерно в разы превосходит 2D-чипы.
Хотя академические лаборатории ранее создавали экспериментальные 3D-чипы, это первый случай, когда такой чип показал явные приросты производительности и был изготовлен в коммерческом литейном цехе. «Это открывает дверь в новую эру производства и инноваций чипов», — сказал Субхасиш Митра, профессор электротехники имени Уильяма Э. Айера и профессор информатики Стэнфордского университета, а также главный исследователь новой статьи, описывающей чип, представленной на 71-й ежегодной конференции IEEE International Electron Devices (IEDM 2025)), проходил в Сан-Франциско с 6 по 10 декабря. «Такие прорывы — это способ добиться тысячекратных улучшений производительности аппаратного обеспечения, которые потребуют будущие системы ИИ.»
Проблемы для плоских чипсов
Современные модели ИИ, такие как ChatGPT и Claude, должны перемещать огромные объёмы данных между памятью, которая хранит информацию, и вычислительными устройствами, которые её обрабатывают.
На обычных 2D-чипах компоненты располагаются на одной ровной поверхности с ограниченной, рассредоточенной памятью, поэтому данные должны перемещаться по нескольким длинным, загруженным маршрутам. Поскольку вычислительные элементы работают гораздо быстрее, чем данные могут перемещаться — и поскольку чип не может хранить достаточно памяти поблизости — система постоянно ждёт информации. Инженеры называют это узкое место «стеной памяти» — точкой, когда скорость обработки превышает способность чипа передавать данные.
Десятилетиями производители чипов решали проблему стены памяти, уменьшая транзисторы — крошечные переключатели на чипе, которые выполняют вычисления и хранят данные — и вмещая их больше на каждый чип. Но и эта стратегия приближается к жёстким, физическим пределам, которые исследователи называют «стеной миниатюризации».
Новый чип буквально поднимается по этим стенам, поднимаясь над ними. «Интегрируя память и вычисления вертикально, мы можем перемещать гораздо больше информации гораздо быстрее, так же как лифт в высотном доме позволяет многим жителям одновременно перемещаться между этажами», — сказал Татхагата Шримани, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии Университета Карнеги-Меллон, старший автор статьи, который начал работу как постдокторант под руководством Митры.
«Стена памяти и стена миниатюризации образуют смертельно опасное сочетание», — сказал Роберт М. Рэдвей, доцент кафедры электротехники и системной инженерии Пенсильванского университета и соавтор исследования. «Мы атаковали его напрямую, плотно интегрировав память и логику, а затем наращивая вверх с чрезвычайно высокой плотностью. Это как Манхэттен вычислительной техники — мы можем уместить больше людей в меньшем пространстве.»
Как создаётся новый 3D-чип
До сих пор большинство попыток создать 3D-чипы основывались на сложении отдельных чипов. Такой подход работает, но связи между слоями грубые, редкие и склонны к узким местам.
Вместо того чтобы создавать отдельные чипы и сливать их, команда строит каждый слой непосредственно поверх предыдущего в одном непрерывном процессе. Этот «монолитный» метод использует температуры, достаточно низкие, чтобы избежать повреждения схемы ниже, позволяя исследователям плотнее складывать компоненты и соединять их гораздо плотнее.
Возможно, ещё более примечательно, что процесс был полностью выполнен на отечественном коммерческом кремниевом литейном заводе. «Превратить передовую академическую концепцию в то, что может построить коммерческий завод, — это огромная задача», — сказал соавтор Марк Нельсон, вице-президент по операциям по разработке технологий в SkyWater Technology. «Это показывает, что эти продвинутые архитектуры возможны не только в лаборатории — их можно производить внутри страны, в больших масштабах, а именно это необходимо Америке, чтобы оставаться на передовой инноваций в области полупроводников.»
Производительность и потенциал чипа
Ранние аппаратные тесты показали, что прототип уже превосходит сопоставимые 2D-чипы примерно в четыре раза. Симуляции более высоких, будущих версий — с более насыщенными слоями памяти и вычислительной системы — указывают на ещё большие результаты. Дизайны с дополнительными уровнями показывают в 12 раз лучшее по сравнению с реальными нагрузками ИИ, включая те, что основаны на открытой модели LLaMA от Meta.
Самое поразительное — исследователи отмечают, что эта конструкция открывает реалистичный путь к 100–1000-кратным улучшениям продукта с энергетической задержкой (EDP) — ключевого показателя, балансирующего скорость и энергоэффективность. Значительно сокращая перемещение данных и добавляя множество вертикальных путей, чип может достигать как более высокой пропускной способности, так и меньшей энергии за операцию — сочетание, которое долгое время считалось недостижимым для традиционных плоских архитектур.
Исследователи подчёркивают, что долгосрочное значение этого исследования выходит за рамки эффективности. Доказывая, что монолитные 3D-чипы можно создавать на территории США, они утверждают, что эта работа заложила план новой эры отечественных инноваций в аппаратном обеспечении, когда Америка сможет разрабатывать и производить самые передовые чипы.
Точно так же, как революция интегрированных схем 1980-х годов была поддержана студентами, которые научились проектировать и создавать чипы в американских лабораториях, исследователи говорят, что переход к вертикальной, монолитной 3D-интеграции потребует нового поколения инженеров, свободно владеющих этими технологиями. Благодаря сотрудничеству и источникам финансирования студенты и исследователи уже проходят обучение для продвижения американских полупроводниковых инноваций.
«Такие прорывы, конечно, связаны с производительностью», — сказал Х.-С. Филип Вонг, профессор Уилларда Р. и Инес Керр Белл в Стэнфордской школе инженерии и главный исследователь Northwest-AI-Hub. «Но они также и про способности. Если мы сможем создавать продвинутые 3D-чипы, мы сможем быстрее внедрять инновации, быстрее реагировать и формировать будущее аппаратного обеспечения ИИ.»