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ウェーハスケールとは
最新のプロセッサの製造では、シリコン基板が個々の結晶に切断され、そこからチップが組み立てられます。 ウェーハスケール （WSI） テクノロジーは、単一の半導体ウェーハ上にプロセッサー（CPUとGPUの両方）を作成することを意味し、1つの大きな「チップ」になります。 このアプローチにより、システムのパフォーマンスが向上します。コンポーネントが近くに配置されるため、データがより高速に転送されます。
1970年代および1980年代に、WSIテクノロジーは、スーパーコンピューター用のチップを作成するために使用されることが提案されました。 しかし、このアイデアを放棄することが決定されました-製造中にチップに多くの欠陥がありました。
たとえば、シリコンバレーで最も資金を調達したTrilogy Systemsのスタートアップは、この分野で働いていました-2億3,000万ドルの投資を受けました 。 しかし、同社は信頼できるプロセス技術を形成することができませんでした。 1985年、TrilogyはWSIの研究を中止し、破産し、ウエハースケールプロセッサの全体的な評判に悪影響を及ぼしました。
最近になって、WSIは有望な分野として再び話題になりました。 たとえば、このようなデバイスは、データセンターのITインフラストラクチャの生産性を向上させることが期待されています。 サーバーコンポーネント間でデータを転送するためのインターフェイスは、多くの場合ボトルネックになります。 ウエハスケールシステムは、コンポーネントの一部を1つの基板に配置することで、帯域幅の問題の解決に役立ちます。
誰が技術を開発する
現在、ウオーターケールプロセッサを開発している組織は 、カリフォルニア大学ロサンゼルス校とイリノイ大学アーバナシャンペーン校です。 今年の2月上旬、大学のスタッフは、単一のシリコン上に多数のGPUを組み合わせたシステムの作成を提案しました。 このプロジェクトは、Silicon Interconnect Fabric、またはSi-IFと呼ばれています。
エンジニアは、24および40 GPUの2つのプロトタイプを作成しました。 開発者は、従来のデバイス（同じ数のコンピューティングモジュール）と比較テストを実施しました。Si-IFデバイスのパフォーマンスは2.5〜5倍でした。 このテクノロジーは、データセンターのGPUに基づくサーバーの作業を加速する可能性があります。
2012年以降、台湾のメーカーTSMCもWaferscaleプロセッサに関与しています。 彼らの技術は CoWoS-「基板上のウェーハ上のチップ」 と呼ばれます。 シリコンブリッジ（インターポーザー）には、GPUとメモリ、FPGAとメモリ、またはネットワークコントローラーがあります。 次に、ブリッジは回路基板に取り付けられ、通常のプロセッサのように「パッケージ化」されます。 このソリューションは、 Nvidia Voltaシリーズグラフィックスチップなどの実際のデバイスで既に使用されています。
この技術は、ヨーロッパのHorizon 2020革新的ソリューションイニシアチブの一部であるWIPEプロジェクトの一環として、エンジニアによって開発されています。 WIPEには、IBM、ベルギーのMicroelectronics iMindsセンター、多くの研究所を含む7つのメンバーがいます。
/写真エンリケ・ヒメネス CC BY-SA
この組織は 、光ファイバーネットワークで動作するプロセッサを作成することを提案しています。 その中で、光信号を電気信号に変換するモジュールは、チップを備えたシリコンウェーハの上に配置され、金属接点を介して直接接続されます。 研究者は、このようなアーキテクチャは、個別のトランシーバーとプロセッサーを備えた従来のシステムよりも消費電力が少なく、高速で実行されると期待しています。
見込みは何ですか
専門家は 、WSIプロセッサの開発が、データセンターがニューラルネットワークのトレーニングなどの要求の厳しいタスクのサーバー容量を増やすのに役立つことを期待しています。 いくつかのレポートによると、Cerebrasのスタートアップはすでに機械学習用のウェーハスケールプロセッサに取り組んでいますが、同社自身は開発の詳細を隠しています。
WSIのもう1つの利点は、管理が容易なことです。 オペレーティングシステムやその他のプログラムの場合、ウェーハスケールのデバイスは複数の独立したプロセッサのようには見えませんが、たとえば1つの大きなGPUのように見えます。 これにより、ウェーハスケールシステムの各モジュールを個別に構成する必要のないプログラマやシステム管理者の作業が簡素化されます。
しかし、ウェーハスケールのプロセッサには制限があり、ITインフラストラクチャのスケーリングが困難になります。 WSIチップの電源システムには、電圧レギュレータのインストールが必要です。 これらのブロックは、追加のコンピューティングモジュールを配置できる場所を占有します。 ウェーハスケールプロセッサのもう1つの制限は、デバイスの冷却に関連しています。 チップ上のモジュールの高密度は、熱放散を複雑にします。
しかし、専門家によると、これらの問題は克服可能であり、今こそWSIを復活させるのにふさわしい時です。 1980年代以降、プロセッサの製造技術はより高度になり、欠陥の数は減少しました。 したがって、近い将来、ウエハスケールデバイスの開発に関するプロジェクトがますます増えることが予想されます。
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