設(shè)計一個大規(guī)模芯片/系統(tǒng)集成的最佳路徑是什么？這是一個大家都關(guān)心的好問題。
Cerebras 通過其wafer scale engine 2 （ WSE-2 ）為行業(yè)設(shè)定了一個高標準：它擁有 2.6 萬億個晶體管，包括 850,000 個內(nèi)核，這個成就是他們采用臺積電的 7 納米工藝在大約 8 英寸 x 8 英寸的硅片上成就的。
達成這寫目標的另一種不同的方法是使用chiplet技術(shù)，然后使用無源硅互連技術(shù)將各種“設(shè)備”安裝到單個硅片上。加州大學(xué)洛杉磯分校和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員最近發(fā)表的一篇新論文稱，這種方法更靈活，可以擴展，并提供顯著的成本優(yōu)勢。
根據(jù)最近的一篇論文，該團隊的研究人員團隊已經(jīng)在設(shè)計并正在制作擁有2048個chiplet和14336個核心的晶圓級處理器原型，在這篇論文中，他們還很好地展示了chiplet的 方法的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。
“據(jù)我們所知，這是有史以來最大的基于小芯片組裝的系統(tǒng)。就活動區(qū)域而言，我們的原型系統(tǒng)比 Nvidia/AMD 等公司的基于小芯片的系統(tǒng)大 10 倍左右，比 Nvidia 的 64 小芯片 Simba（研究）系統(tǒng)大 100 倍左右，”研究人員在論文中寫道。
基本前提是熟悉的。他們表示，“圖形處理、數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)等高度并行工作負載的激增正在推動對具有大量處理核心、廣泛內(nèi)存容量和高內(nèi)存帶寬的大規(guī)模并行高性能系統(tǒng)的需求。”
到目前為止，使用傳統(tǒng)的封裝外通信鏈路連接的離散封裝處理器的異構(gòu)架構(gòu)已成為處理新工作負載的主要解決方案。此外，還有大量針對這些工作負載的新芯片和系統(tǒng)，Cerebras 的 WSE-2 就是一個例子。
研究人員認為，單片晶圓級“芯片無法集成來自異構(gòu)技術(shù)（如 DRAM 或其他密集存儲技術(shù)）的組件。此外，為了獲得良好的產(chǎn)量，需要在晶圓級芯片上保留冗余內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)鏈接。
因此他們指出，小芯片策略應(yīng)該能夠克服其中的一些限制：
”構(gòu)建晶圓級系統(tǒng)的一種競爭方法是在晶圓級互連基板上集成預(yù)先測試過的已知良好的小芯片（在這項工作中，我們將未封裝的裸芯片/小芯片稱為小芯片）。硅互連結(jié)構(gòu) （Silicon interconnect Fabric ：Si-IF） 是一種候選技術(shù)，它使我們能夠在高密度互連晶片上緊密集成許多小芯片。Si-IF 技術(shù)提供基于細間距銅柱（10μm 間距）的 I/O，其密度至少是基于中介層的系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng) μ-bumps的 16 倍，以及~100μm 的小芯片間距。因此，它為小芯片間互連提供了全局的片上布線特性。此外，在基于小芯片的晶圓級系統(tǒng)中，小芯片可以采用異構(gòu)技術(shù)制造，并有可能提供更好的性價比權(quán)衡。“
下圖很好地概述了設(shè)計。
正如您所期望的那樣，芯片組方法帶來了自己的一組設(shè)計挑戰(zhàn)，團隊列舉了這些挑戰(zhàn)：
”我們應(yīng)該如何為整個晶圓上的所有倒裝芯片鍵合小芯片供電？
“我們?nèi)绾卧谌绱舜蟮膮^(qū)域內(nèi)可靠地分配時鐘？
”當(dāng)每個小芯片需要支持大量基于細間距銅柱的 I/O 時，我們?nèi)绾卧O(shè)計面積高效的 I/O，我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)非常高的整體小芯片組裝和鍵合良率？
“芯片間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該怎么搭建，如果幾個小芯片出現(xiàn)故障，我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)彈性？
”當(dāng) I/O pads尺寸較小時，測試策略是什么？我們?nèi)绾未_保測試方案的可擴展性？
“在制造過程的不確定性和限制條件下，我們?nèi)绾卧O(shè)計小芯片和基板？”
在那篇論文中，研究團隊詳細介紹了針對整體架構(gòu)、計算小芯片、內(nèi)存小芯片和所選晶圓級基板的解決方案方法和具體考慮因素。還詳細檢查了網(wǎng)絡(luò)、配電和測試基礎(chǔ)設(shè)施。
該團隊還通過在 FPGA 平臺上模擬縮小尺寸的多塊系統(tǒng)來驗證系統(tǒng)設(shè)計和架構(gòu)。“我們能夠成功地在這個系統(tǒng)上運行各種工作負載，包括圖應(yīng)用程序，例如廣度優(yōu)先搜索 （ breadth-first search ：BFS）、單源最短路徑 （ single-source shortest path ：SSSP） 等，”該論文稱。
查看一下這些原型的行為會很有趣。
該論文的作者之一、加州大學(xué)洛杉磯分校的博士Saptadeep Pal告訴HPCwire，“一個較小的硅原型現(xiàn)在已經(jīng)啟動并運行程序。目前正在建造晶圓級原型。我們正在一步一步地進行。流片和系統(tǒng)在許多方面都是”第一次“，而且在大學(xué)里，重新制作的時間和金錢成本非常高。完整的晶圓級系統(tǒng)可能還需要幾個月的時間。”
