Čipovi u tri dimenzije: Nova generacija za sveprisutnu vještačku inteligenciju

Do kraja ove decenije u svetu će biti više od 25 milijardi umreženih uređaja poput smartfona i računara, koji su povezani na internet ili lokalne mreže. Uz to, očekuje se i dodatnih 15 milijardi različitih Internet of Things (IoT) uređaja u svakodnevnoj upotrebi, poput pametnih TV-a, zvučnika, te bezbednosnih video sistema.

To su samo inicijalne procene u odnosu na današnje trendove rasta. Tržišta na kojima je srednja klasa u velikom porastu, poput Kine i Indije, imaće i veći rast korisnika smartfona, računara i interneta uopšte. Zbog toga, pitanje proizvodnje svih vrsta čipova i integrisanih mikrokontrolera je odavno iz sveta tehnologije i biznisa prešlo u političke, obaveštajne, pa čak i vojne krugove.

Dosegnuti fizički limiti

Dosadašnji dizajn mikroprocesora i memorijskih čipova dosegao je svoje fizičke limite. Američki naučnik Gordon Moore je ovo predvideo još 1965. godine, radeći na dizajnu prvih kompjuterskih čipova koji su koristili tranzistore. Kasnije nazvan „Moore's Law“ (Mooreov zakon), taj akt navodi da će se broj tranzistora u bilo kom integrisanom kolu duplirati svake dve godine, sa svakom novom generacijom čipova.

„Tako će se doći do fizičkih granica unutar samog čipa, kada će električni signali početi da se mešaju, što će dovesti do nepouzdanog rada i obrade podataka“, stoji dalje u „Mooreovom zakonu“.

Ovo se tokom decenija više puta ispostavilo kao tačno, iako se očekivalo da se „do zida“ i krajnjih mogućnosti tehnologije dođe tek oko 2050. godine. Ova granica je već pređena, negde oko 2010, ali su nove vrste procesora i memorijskih modula u međuvremenu dali novi „vetar u jedra“ razvoja sve komplikovanijih uređaja. To se posebno odnosi na grafičke čipove, koji se danas koriste i za razvoj veštačke inteligencije (Artificial Intelligence, AI), a ne samo za grafički zahtevne aplikacije i video igre. Tako je i prvi procesor koji je najavio „nove horizonte“ u dizajnu procesora bio stvoren upravo za igračku konzolu „Play Station 3“. „The Cell“, kako se čip zvao, ili „Cell Broadband Engine Architecure“, kako glasi puno ime, razvijen je od strane kompanija Sony, Toshiba i IBM, a prvi put upotrebljen 2006. u konzoli PS3. Čip je imao mogućnosti „višestrukog paralelnog procesiranja“ i bio je zasnovan na tada naprednom „Power PC“ dizajnu kompanije IBM.

Pored „Cell“ čipa, PS3 konzola je imala i osam dodatnih koprocesora, nazvanih synergestic processing elements. Moć obrade podataka ove nove platforme je bio toliki da je Američko vazduhoplovstvo (USAF) 2010. godine kupilo čak 1.760 ovih konzola, ali ne za igranje igara, već za stvaranje vojnog super-računara. Računar se zvao „Condor AFRL“ i u to vreme je bio u prvih 50 najbržih na svetu, sa mogućnošću obrade 500.000 milijardi podataka (TFLOPS) u sekundi. Računar se koristio gotovo celu jednu deceniju za analizu podataka i snimaka sa vojnih satelita, kao i za obradu drugih poverljivih podataka.

Čipovi u tri dimenzije

Danas se tehnologija dizajna čipova kreće u drugom pravcu – trodimenzionalnom. Budući da više nije moguće dodatno smanjivati čipove, kompanije ih sada dizajniraju „u visinu“. Novi čipovi mogu imati do 16 „nivoa“ (eng. wafer stacking), zapravo punih čipova jedan iznad drugog u istom fizičkom kućištu. Na ovaj način se smanjuje i pregrijavanje, kao i sama potrošnja električne energije, što je ključna karakteristika za njihovo korišćenje u velikim serverima i data-centrima.

„Spratovi“ unutar čipa su međusobno povezani tehnologijom pod imenom TSV (through silicone vias) i takozvanim „Cu/Cu“ konekcijama, kako bi ravnomerno i efikasno „raspoređivali“ podatke tokom njihove obrade. Ovakvi 3D čipovi se nazivaju još i „zapakovani na nivou wafera“ ili 3DWLP (wafer je osnovni element u svakom čipu, njegov „temelj“).

Još jedna od dobrih odlika 3D čipova je ista površina na matičnoj ploči, pa se mogu koristiti dosadašnji dizajni drugih komponenti i dodatnih kartica za proširenja (poput grafičkih, mrežnih ili memorijskih). Pored ovoga, čipovi u tri dimenzije omogućavaju i mnogi lakši dizajn „računar na čipu“ procesora (system on chip, SoC). Tako se jedan „sprat“ može koristiti za generalna izračunavanja, drugi za kontrolu grafike, treći za WiFi i Bluetooth bežične mreže, itd. Ovakvi čipovi su naročito korisni pri dizajnu „kompaktnih računara“ (small form factor, SFF) i „kompjutera na jednoj pločici“ (single board computer, SBC).

Hiljadu čipova u jednom

Ovakva veća integracija i veća gustina „pakovanja“ pojedinačnih tranzistora unutar čipa je neophodna i za nove primene u oblastima veštačke inteligencije, autonomnih automobila i sve naprednijih smartfona koji mogu snimati video i u 8K rezoluciji.

Tako električni automobili kompanije Tesla koriste veštačku inteligenciju i sistem mašinskog učenja nazvan „Vision Autipilot“, razvijenu na sistemu kojeg pokreće čip nazvan D-1. On u sebi ima čak 50 milijardi tranzistora i najveći je čip koji se danas koristi za ASIC (Application Specific IC).

I lider na tržištu grafičkih procesora i čipova za veštačku inteligenciju, kompanija Nvidia, koristi sličan dizajn. Čip DGX-H100 može da podrži čak do 640 gigabajta radne memorije, sa brzinom obrade podataka od 900 gigabajta u sekundi. Softveri koji se koriste za razvoj modela veštačke inteligencije (large language models, LLM) zahtevaju izuzetno brzu paralelnu obradu podataka, što opet zahteva velike super-računare sa stotinama procesora kao što je H100. Nvidia je zbog toga razvila i poseban sistem umrežavanja, „Connect-X“ kako bi to mnoštvo podataka moglo da se lakše kreće unutar super-kompjutera. Takođe, ovakav sistem može podržati i do 30 terabajta prostora za skladištenje podataka po procesoru.

Japanska kompanija Canon nedavno je predstavila svoju verziju nove generacije dizajna i proizvodnje čipova. Tehnologija se naziva nanoimprint litography i u suštini obuhvata „štampanje“ integrisanog kola direktno na silicijumskom waferu. Canon već ima i čitavu proizvodnu liniju za ovaj proces nazvanu 1200NZ2C, koja bi u praksi trebalo i da značajno smanji cenu proizvodnje, te da dovede do daleko manjeg gubitka resursa. „Štampanje“ čipova bi trebalo da omogući i prelazak na proizvodnju procesora u tehnologiji od dva nanometra, budući da se najnapredniji procesori danas uglavnom proizvode u tehnologiji od sedam ili pet nanometara.