محققان نخستین تراشه ۳ بعدی یکپارچه را در مقیاس تجاری تولید کردند

مهندسان دانشگاه‌های استنفورد، کارنگی ملون، پنسیلوانیا و مؤسسه فناوری ماساچوست در این پروژه مشترک، معماری رایج و دو‌بعدی تراشه‌ها را بازطراحی کرده و ساختاری چندلایه را توسعه داده‌اند. قطعات این تراشه جدید برخلاف نمونه‌های فعلی که روی یک سطح مسطح پخش شده‌اند، همانند طبقات یک برج بلند روی هم قرار گرفته‌اند و سیم‌کشی‌های عمودی آن نقش آسانسور‌هایی پرسرعت را ایفا می‌کنند که امکان جابه‌جایی حجم عظیمی از اطلاعات را در زمانی کوتاه فراهم می‌آورند. تراکم بی‌سابقه اتصالات عمودی و ترکیب دقیق واحد‌های حافظه و محاسبات در این معماری، گلوگاه‌هایی را که مدت‌ها مانع پیشرفت طراحی‌های تخت بوده‌اند، از میان برداشته است.

عبور از سد محدودیت‌های فیزیکی

مدل‌های مدرن هوش مصنوعی برای پردازش اطلاعات نیازمند جابه‌جایی مداوم حجم خیره‌کننده‌ای از داده‌ها بین حافظه و واحد‌های پردازشی هستند. قطعات در تراشه‌های متداول دوبعدی، روی یک سطح واحد قرار دارند و داده‌ها مجبورند مسیر‌های طولانی و شلوغی را طی کنند. سرعت بالای پردازشگر‌ها در مقایسه با سرعت انتقال داده‌ها باعث می‌شود سیستم دائماً در انتظار دریافت اطلاعات بماند؛ وضعیتی که مهندسان آن را دیوار حافظه می‌نامند.

تولیدکنندگان تراشه طی دهه‌های گذشته برای حل این مشکل تلاش می‌کردند ترانزیستور‌ها را کوچک‌تر کنند تا تعداد بیشتری از آن‌ها را در یک تراشه جای دهند، اما این راهبرد نیز اکنون به مرز‌های فیزیکی خود یا همان دیوار کوچک‌سازی نزدیک شده است.

رابرت رادوی، استادیار مهندسی برق و سیستم‌ها در دانشگاه پنسیلوانیا و از نویسندگان این پژوهش، معتقد است که ترکیب دیوار حافظه و دیوار کوچک‌سازی چالشی جدی ایجاد کرده بود. تیم تحقیقاتی با ادغام فشرده حافظه و منطق پردازشی و ساخت‌وساز به سمت بالا، این چالش را هدف قرار داد. این رویکرد که شبیه به شهرسازی در منهتن است، امکان جای دادن اجزای بیشتری را در فضایی کمتر فراهم می‌کند و تراکم محاسباتی را به شدت افزایش می‌دهد.

فناوری ساخت یکپارچه و تجاری‌سازی

تلاش‌های پیشین برای ساخت تراشه‌های سه‌بعدی عمدتاً بر روی هم قرار دادن تراشه‌های جداگانه متکی بود که منجر به اتصالات ضعیف و ایجاد گلوگاه می‌شد. تیم تحقیقاتی در روش جدید، به جای ساخت جداگانه و سپس اتصال تراشه‌ها، هر لایه را مستقیماً روی لایه قبلی و طی یک فرآیند پیوسته می‌سازد.

روش یکپارچه به کار رفته در این طرح، از دما‌های پایین استفاده می‌کند تا به مدارات زیرین آسیبی نرسد و اجازه می‌دهد اجزا با فشردگی بیشتر و اتصالات متراکم‌تری روی هم سوار شوند. مارک نلسون، معاون عملیات توسعه فناوری در شرکت اسکای‌واتر، تبدیل یک مفهوم دانشگاهی پیشرفته به محصولی قابل ساخت در کارخانه تجاری را چالشی بزرگ می‌داند که اکنون محقق شده است. این موفقیت نشان می‌دهد که معماری‌های پیشرفته فقط مختص آزمایشگاه‌ها نیستند و امکان تولید آن‌ها در مقیاس صنعتی وجود دارد.

جهش عملکرد و کاهش مصرف انرژی

آزمایش‌های سخت‌افزاری اولیه نشان می‌دهد که نمونه اولیه این تراشه هم‌اکنون عملکردی حدود چهار برابر بهتر از تراشه‌های دوبعدی مشابه دارد. شبیه‌سازی‌های انجام شده برای نسخه‌های آینده که دارای لایه‌های بیشتری از حافظه و پردازشگر هستند، نویدبخش دستاورد‌های بزرگ‌تری است. طراحی‌های دارای طبقات بیشتر، بهبودی تا دوازده برابر را در اجرای بار‌های کاری واقعی هوش مصنوعی نشان می‌دهند.

محققان مسیری واقع‌بینانه را برای بهبود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابری در شاخص محصول انرژی-تأخیر ترسیم کرده‌اند. این تراشه با کوتاه کردن چشمگیر مسیر حرکت داده‌ها و افزودن مسیر‌های عمودی متعدد، می‌تواند به توان عملیاتی بالاتر و مصرف انرژی کمتر در هر عملیات دست یابد؛ ترکیبی که در معماری‌های تخت معمولی دور از دسترس به نظر می‌رسید.