Die Idee der Wafer-Prozessoren machte in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts viel Lärm, wurde jedoch aufgrund der Komplexität der Produktion jahrzehntelang vergessen. Heute versucht die Technologie erneut, sich zu entwickeln. Wir sagen, wer in diesem Bereich arbeitet.
/ photo timo vn CC BYWas ist Wafer?
Bei der Herstellung moderner Prozessoren wird das Siliziumsubstrat in einzelne Kristalle
geschnitten , aus denen dann der Chip zusammengesetzt wird.
Die Waferscale (WSI)
-Technologie impliziert die Erstellung von Prozessoren (sowohl CPU als auch GPU) auf einem einzelnen Halbleiterwafer - es wird ein großer "Chip". Dieser Ansatz erhöht die Systemleistung: Komponenten werden näher platziert, sodass Daten schneller übertragen werden.
In den 1970er und 1980er Jahren wurde die WSI-Technologie vorgeschlagen, um Chips für Supercomputer herzustellen. Es wurde jedoch beschlossen, diese Idee aufzugeben - es gab zu viele Defekte in den Chips während der Produktion.
In diesem Bereich war beispielsweise das Startup Trilogy Systems tätig, das damals das am meisten finanzierte im Silicon Valley war. Es erhielt Investitionen in Höhe von 230 Millionen US-Dollar. Das Unternehmen konnte jedoch keine zuverlässige Prozesstechnologie entwickeln. 1985 stellte Trilogy die WSI-Forschung ein und ging in Konkurs, was sich negativ auf das allgemeine Ansehen von Wafer-Scale-Prozessoren auswirkte.
Erst kürzlich wurde WSI erneut als vielversprechender Bereich bezeichnet. Beispielsweise wird erwartet, dass solche Geräte dazu beitragen, die Produktivität der IT-Infrastruktur in Rechenzentren zu steigern. Schnittstellen zum Übertragen von Daten zwischen Serverkomponenten stellen sich häufig
als Engpass heraus. Waferscale-Systeme können durch Platzieren eines Teils der Komponenten auf demselben Substrat zur Lösung des Bandbreitenproblems beitragen.
Wer entwickelt Technologie
Organisationen, die heute Wasserwaagenprozessoren entwickeln,
sind die University of California in Los Angeles und die University of Illinois in Urbana-Champaign. Anfang Februar dieses Jahres schlugen die Mitarbeiter der Universität vor, ein System zu entwickeln, das Dutzende von GPUs auf einem einzigen Silizium kombiniert. Das Projekt heißt Silicon Interconnect Fabric oder Si-IF.
Den Ingenieuren gelang es, zwei Prototypen für 24 und 40 GPUs zu erstellen. Die Entwickler führten Vergleichstests mit klassischen Geräten (mit der gleichen Anzahl von Computermodulen) durch - die Leistung von Si-IF-Geräten war 2,5- bis 5-mal höher. Möglicherweise kann die Technologie die Arbeit von Servern auf Basis von GPUs in Rechenzentren beschleunigen.
Seit 2012 ist der taiwanesische Hersteller TSMC auch an Waferscale-Prozessoren beteiligt. Ihre Technologie
heißt CoWoS - "Chip auf einem Wafer auf einem Substrat". Auf der Siliziumbrücke (Interposer) befinden sich die GPU und der Speicher, das FPGA und der Speicher oder die Netzwerkcontroller. Dann wird die Brücke auf der Leiterplatte montiert und wie ein normaler Prozessor "verpackt". Die Lösung wird bereits in realen Geräten verwendet,
beispielsweise in den Grafikchips
der Nvidia Volta-Serie.
Ingenieure entwickeln die Technologie auch im Rahmen des WIPE-Projekts, das Teil der Initiative für innovative Lösungen von European
Horizon 2020 ist . WIPE hat sieben Mitglieder, darunter IBM, das belgische Zentrum für Mikroelektronik iMinds und eine Reihe von Forschungsinstituten.
/ Foto Enrique Jiménez CC BY-SADie Organisation
schlägt vor, einen Prozessor für die Arbeit mit Glasfasernetzen zu schaffen. Darin befindet sich ein Modul zum Umwandeln eines optischen Signals in ein elektrisches über dem Siliziumwafer mit Chips und ist über Metallkontakte direkt mit diesem verbunden. Forscher erwarten, dass eine solche Architektur weniger Strom verbraucht und schneller läuft als herkömmliche Systeme mit separaten Transceivern und Prozessoren.
Was sind die Aussichten
Experten gehen
davon aus, dass die Entwicklung von WSI-Prozessoren Rechenzentren dabei helfen wird, die Serverkapazität für anspruchsvolle Aufgaben wie das Training neuronaler Netze zu erhöhen. Berichten zufolge arbeitet das Cerebras-Startup bereits an einem Waferscale-Prozessor für maschinelles Lernen - obwohl das Unternehmen selbst die Entwicklungsdetails verbirgt.
Ein weiterer Vorteil von WSI ist die einfache Verwaltung. Bei Betriebssystemen und anderen Programmen sehen Wafer-Scale-Geräte nicht wie mehrere separate Prozessoren aus, sondern beispielsweise wie eine große GPU. Dies vereinfacht die Arbeit von Programmierern und Systemadministratoren, die nicht jedes Modul des Waferscale-Systems einzeln konfigurieren müssen.
Waferscale-Prozessoren weisen jedoch eine
Einschränkung auf , die die Skalierung der IT-Infrastruktur erschwert. Stromversorgungssysteme in WSI-Chips erfordern die Installation von Spannungsreglern. Diese Blöcke nehmen einen Platz ein, an dem zusätzliche Computermodule platziert werden könnten. Eine weitere Einschränkung für Wafer-Scale-Prozessoren betrifft die Gerätekühlung. Die hohe Dichte der Module auf dem Chip
erschwert die Wärmeableitung.
Experten zufolge sind diese Probleme jedoch
überwindbar und jetzt ist der richtige Zeitpunkt, um WSI wiederzubeleben. Seit den 1980er Jahren sind die Technologien zur Prozessorherstellung weiter fortgeschritten, und die Anzahl der Fehler hat abgenommen. Daher können wir davon ausgehen, dass in naher Zukunft immer mehr Projekte zur Entwicklung von Waferscale-Geräten durchgeführt werden.
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