الملخص:
لقد جذبت بنية شريحة Logic Folding التي اقترحتها شركة Huawei في السنوات الأخيرة مرة أخرى انتباه صناعة أشباه الموصلات. تظهر البيانات الصادرة سابقًا عن هواوي أنه من خلال إعادة تنظيم الدوائر المنطقية الداخلية للرقاقة وإجراء تخطيط رأسي ثلاثي الأبعاد، يمكن تقصير مسار نقل الإشارة بشكل كبير ويمكن تقليل عدد المخازن المؤقتة المطلوبة لشبكة الساعة بشكل كبير. ومع ذلك، يشير خبراء صناعة أشباه الموصلات إلى أنه على الرغم من أن هذه البنية يمكن أن تقلل بعض تكاليف نقل الإشارة، إلا أنها لا تستطيع حل مشكلة تبديد الحرارة الأكثر صعوبة للرقائق ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي، وقد يصبح هذا أيضًا عقبة رئيسية أمام المزيد من التوسع في نطاقها.
إن Logic Folding هي طريقة لتصميم الرقائق تقترحها شركة Huawei في سياق القيود المفروضة على تكنولوجيا أشباه الموصلات المتقدمة في الولايات المتحدة. لا تتمثل الفكرة الأساسية في الاعتماد ببساطة على عمليات الطباعة الحجرية الضوئية الأكثر تقدمًا لتقليص الترانزستورات، بل في تقليل مسافة انتشار الإشارات داخل الشريحة عن طريق إعادة ترتيب الوحدات المنطقية داخل الشريحة وتحريك الدوائر التي تم توزيعها بشكل أساسي على المستوى ثنائي الأبعاد إلى الاتجاه الرأسي.
تعتمد هذه الفكرة على "قانون تحجيم تاو" الذي اقترحته شركة Huawei. ويركز قانون مور التقليدي بشكل أساسي على حجم الترانزستور وعدد الترانزستورات، في حين يولي مقياس تاو الذي اقترحته هواوي مزيدًا من الاهتمام لوقت انتشار الإشارة ومسافة التوصيل البيني للرقاقة الداخلية، على أمل تحسين الأداء وكفاءة الطاقة عن طريق تقصير مسار نقل البيانات.
في بيانات الاختبار التي أصدرتها شركة Huawei، يمكن لـ Logic Folding تقصير بعض المسارات المنطقية المهمة بشكل كبير. ومن بينها، تعد شبكة الساعة أحد أهداف التحسين الرئيسية. نظرًا لأن المعالجات الحديثة عالية الأداء تحتوي على عدد كبير من الوحدات المنطقية، فيجب نشر إشارات الساعة إلى مناطق مختلفة من الشريحة من خلال أشجار الساعة المعقدة، ومن أجل ضمان جودة الإشارة، يجب نشر عدد كبير من المخازن المؤقتة للساعة.
تظهر بيانات هواوي أنه بعد إعادة تنظيم الدوائر ذات الصلة من خلال Logic Folding، يمكن تقليل عدد المخازن المؤقتة للساعة في وحدة المعالجة من حوالي 43600 إلى 19000، وهو انخفاض يزيد عن 50%.
وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا تقصير طول أسلاك الساعة ذات الصلة بشكل كبير. ووفقا للبيانات الصادرة عن هواوي، يمكن تقصير المسار الحرج في بعض التصميمات بنسبة تصل إلى 70%، ويمكن تقصير مسار الإشارة الإجمالي بنحو 20% في المتوسط.
المبدأ الكامن وراء ذلك ليس معقدًا. كلما كانت خطوط الإشارة داخل الشريحة أطول، زادت المقاومة الطفيلية والسعة، وزادت الطاقة المطلوبة لتشغيل هذه الخطوط. ومن خلال تقصير مسافة انتشار الإشارة، يمكن تقليل التحميل السعوي الناتج عن التوصيل البيني، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة الديناميكية.
تعد شبكات الساعة مناسبة بشكل خاص لهذا التحسين لأن إشارات الساعة تحتاج إلى الانتشار بشكل مستمر عبر الشريحة. حتى لو لم يكن المعالج يقوم بالكثير من العمليات الحسابية الفعلية، فإن شجرة الساعة لا تزال تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة. لذلك، إذا كان من الممكن تقليل عدد المخازن المؤقتة للساعة وأطوال الأسلاك المرتبطة بها، فمن الممكن تحقيق مكاسب معينة من الطاقة دون تغيير عملية تصنيع الترانزستور.
يعد هذا أيضًا أحد الأسباب المهمة التي تجعل شركة Huawei تعتقد أن Logic Folding يمكنه تجاوز عنق الزجاجة الذي تعاني منه الرقائق التقليدية. وبالمقارنة مع الاعتماد فقط على تكنولوجيا الطباعة الحجرية الضوئية المتقدمة، فإن إعادة تصميم الهيكل الداخلي للرقاقة يمكن أن تستمر نظريًا في تحسين الأداء وكفاءة الطاقة بناءً على عملية التصنيع الحالية.
لكن المشكلة تكمن في أن الشريحة لا تحتوي فقط على مساحة ثنائية الأبعاد. عندما يتم تكديس عدد كبير من الدوائر المنطقية عالية الطاقة عموديًا، فإن كثافة الطاقة لكل وحدة حجم للرقاقة ستزداد بسرعة. المسار الرئيسي لتبديد الحرارة للرقائق التقليدية ثنائية الأبعاد هو توصيل الحرارة من سطح شريحة السيليكون إلى المشتت الحراري. في الرقائق ثلاثية الأبعاد، تكون الطبقة المنطقية الداخلية بعيدة عن هيكل تبديد الحرارة الخارجي، ويكون تبديد الحرارة المتولدة أكثر صعوبة. يعد هذا أيضًا أحد أكبر مخاوف خبراء أشباه الموصلات بشأن Logic Folding.
إذا تم تجميع طبقتين أو أكثر من الطبقات المنطقية عالية الطاقة معًا، فقد تستمر الحرارة المتولدة لكل وحدة حجم في الزيادة بشكل ملحوظ حتى لو انخفض إجمالي استهلاك الطاقة للرقاقة بأكملها. على وجه الخصوص، إذا تم وضع الوحدات عالية الاستهلاك للطاقة مثل نوى وحدة المعالجة المركزية ووحدات حوسبة وحدة معالجة الرسومات ووحدات NPU في مواضع متداخلة، فإنها ستشكل نقاط اتصال محلية واضحة جدًا.
بمجرد أن تكون درجة حرارة النقطة الساخنة مرتفعة للغاية، يجب أن تقلل الشريحة من جهد التشغيل أو تقلل التردد أو حتى تحد من الأداء بشكل فعال، وإلا فقد يؤثر ذلك على عمر الترانزستور وموثوقية الشريحة. ولذلك، قد يتم في نهاية المطاف تعويض مكاسب الأداء النظرية بالقيود الحرارية.
لقد اعترفت شركة Huawei نفسها بأن تبديد الحرارة يعد أحد التحديات الأساسية لمواصلة تطوير Logic Folding. مع زيادة عدد الطبقات المكدسة، ستصبح طريقة التبريد السلبية التقليدية التي تعتمد على المواد المعدنية لتوصيل الحرارة إلى سطح الرقاقة صعبة بشكل متزايد لتلبية الطلب.
تستكشف هواوي حاليًا حلولاً تشمل طبقات تبديد الحرارة الماسية وقنوات التبريد السائلة الدقيقة، على أمل إنشاء مسار أكثر فعالية لتوصيل الحرارة على الأسطح العلوية والسفلية للرقاقة. حتى أن الخطط البحثية ذات الصلة تفكر في إضافة قنوات تبريد سائلة على نطاق ميكرون داخل الشريحة أو في هيكل العبوة لإزالة الحرارة المتولدة بالداخل مباشرة.
لكن هذا يؤدي إلى تعقيدات تصنيعية جديدة. إن التكديس ثلاثي الأبعاد لا يعني ببساطة لصق شريحتين معًا واحدة فوق الأخرى. يتطلب تحقيق اتصال عالي السرعة بين الطبقات المختلفة هياكل ربط عمودية عالية الكثافة، مع معالجة مشكلات مثل ترابط الرقاقات، والضغط الحراري، والإنتاجية، وقيود درجة الحرارة أثناء التصنيع.
أكدت عمليات التفكيك الأخيرة لرقائق الجيل الجديد من هواوي أن Logic Folding يستخدم بالفعل طبقتين من الرقائق مكدستين رأسيًا ومتصلتين بواسطة روابط هجينة من النحاس إلى النحاس. يوجد عدد كبير من قنوات التوصيل البيني الرأسي في البنية ذات الصلة، وتحمل طبقتا الرقاقة بشكل مشترك وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات ووحدة NPU والوحدات الوظيفية الأخرى.
يمكن أن يؤدي هذا الهيكل إلى تقصير مسار الإشارة بشكل كبير، وهو أيضًا الأساس لـ Logic Folding لتقليل استهلاك طاقة الاتصال البيني. لكن "مسار الإشارة أقصر" و"تبديد الشريحة للحرارة بسهولة أكبر" هما مسألتان مختلفتان تمامًا.
في الواقع، قد يكون هذا هو التناقض الذي يجب على Logic Folding مواجهته أكثر عند التنافس مع العمليات المتقدمة التقليدية. يمكن أن يؤدي استخدام عمليات الطباعة الحجرية الضوئية الأكثر تقدمًا لتقليص الترانزستورات إلى زيادة كثافة الترانزستور مع تقليل بعض السعة وجهد التشغيل، بينما يعمل Logic Folding على تحسين الكثافة بشكل أكبر من خلال إعادة الترتيب المكاني. على الرغم من أن هذا الأخير يمكنه التحايل على بعض القيود المفروضة على عملية الطباعة الحجرية الضوئية، إلا أنه سيركز أيضًا المزيد والمزيد من وحدات التسخين في مساحة محدودة ثلاثية الأبعاد.
ولهذا السبب يعتقد بعض خبراء الصناعة أن Logic Folding يشبه حاليًا "مسارًا تكنولوجيًا تعويضيًا" وليس بديلاً كاملاً لعمليات الطباعة الحجرية الضوئية المتقدمة.
تظهر البيانات الصادرة حاليًا عن شركة Huawei أن البنية الجديدة يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة لبعض الوحدات مع زيادة كثافة الترانزستور وتردد التشغيل. ومع ذلك، ما إذا كان من الممكن الاستمرار في الحفاظ على هذه المزايا بأداء أعلى، ونطاق أوسع، والمزيد من طبقات التراص، لا يزال يتطلب المزيد من المنتجات الفعلية والاختبارات المستقلة للتحقق.
من الجدير بالذكر بشكل خاص أن شركات مثل Apple وQualcomm لا تتبنى حاليًا نفس مسار التصميم تمامًا مثل Logic Folding. تقوم Apple وIntel وQualcomm وغيرها من الشركات المصنعة للرقائق المتقدمة أيضًا بالبحث بنشاط عن التغليف ثلاثي الأبعاد وتكديس الرقائق، لكنهم عادةً ما يستخدمون القوالب وذاكرة التخزين المؤقت ثلاثية الأبعاد والترابط الهجين لوضع وحدات وظيفية مختلفة على شرائح مستقلة، ثم دمجها من خلال تكنولوجيا التغليف المتقدمة.
تتمثل إحدى المزايا المهمة لهذا النهج في أنه يمكنه ترتيب استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة بشكل أكثر مرونة في طبقات الرقائق المختلفة. على سبيل المثال، يمكن وضع منطق الحوسبة عالية الطاقة في موقع يسهل تبديد الحرارة، في حين يمكن وضع الوحدات منخفضة الطاقة مثل ذاكرة التخزين المؤقت والإدخال/الإخراج في طبقات أخرى.
لقد غيرت Huawei Logic Folding التخطيط المنطقي للرقاقة نفسها، مما أدى إلى توسيع الدائرة المنطقية التقليدية ثنائية الأبعاد في الاتجاه الرأسي. ولذلك، يمكنها الحصول على مسافة ربط داخلية أقصر، ولكنها تتحمل أيضًا ضغطًا أكبر لإدارة الحرارة.
ومع ذلك، فإن هذا لا يعني أن Apple وQualcomm غير مهتمين بـ Logic Folding. على العكس من ذلك، نظرًا لأن التكامل ثلاثي الأبعاد أصبح اتجاهًا مستقبليًا مهمًا لصناعة أشباه الموصلات، فإن التصميم الرأسي المنطقي والتوصيل البيني عالي الكثافة ومفاهيم تقصير مسار الإشارة المشاركة في Logic Folding لها قيمة فنية معينة في حد ذاتها.
السؤال الحقيقي هو الجوانب الاقتصادية والفوائد الفعلية. بالنسبة لشركة Apple وQualcomm، القادرتين على استخدام عمليات TSMC الأكثر تقدمًا، إذا كان من الممكن الحصول على أداء ترانزستور أعلى وكفاءة في استخدام الطاقة من خلال الطباعة الحجرية المتقدمة، فإن تعقيد التصميم الإضافي وتكاليف التصنيع ومشاكل تبديد الحرارة لتحقيق Logic Folding قد لا يكون جذابًا بما فيه الكفاية.
بالنسبة لشركة هواوي، المحدودة بمعدات الطباعة الحجرية المتقدمة، فإن الوضع مختلف تمامًا. إن تحسين كفاءة الاستخدام الفعلي لعمليات التصنيع الحالية من خلال الابتكار المعماري يمكن أن يستمر في تحسين أداء الرقائق دون الوصول المجاني إلى معدات الأشعة فوق البنفسجية الأكثر تقدمًا. لذلك فإن Logic Folding له قيمة استراتيجية واضحة جدًا.
في الوقت الحالي، قامت هواوي بتطوير تقنية Logic Folding من الأوراق والعروض التكنولوجية إلى مرحلة الرقائق التجارية، وقد اعتمد الجيل الجديد من معالجات Kirin التقنيات ذات الصلة. وهذا يعني أن السنوات القليلة المقبلة ستكون فترة حاسمة لاختبار القيمة الحقيقية لهذه البنية.
إذا تمكنت شركة Huawei من حل مشكلات مثل تبديد الحرارة، وإنتاجية التصنيع، وأدوات EDA، وتوسيع نطاق Logic Folding ليشمل المزيد من طبقات التراص مع الحفاظ على الموثوقية والتحكم في التكلفة، فقد تصبح هذه التكنولوجيا حقًا طريقًا مهمًا لتوسيع نطاق الرقائق بما يتجاوز قانون مور التقليدي.
ولكن إذا ارتفعت الكثافة الحرارية بسرعة مع زيادة عدد الطبقات المكدسة، مما يجبر الشريحة في النهاية على تقليل التردد واستهلاك الطاقة، فإن المزايا النظرية التي حصلت عليها عملية Logic Folding عن طريق زيادة كثافة الترانزستورات ثلاثية الأبعاد قد يتم تعويضها جزئيًا أو حتى بشكل كبير عن طريق مشكلات تبديد الحرارة.
لذلك، فإن التقييم الأكثر دقة لـ Logic Folding في الوقت الحالي ليس أنه قد اخترق العمليات المتقدمة، ولا أنه ليس له قيمة عملية، ولكنه يمثل استكشافًا معماريًا ذا معنى كبير. لقد أثبتت هواوي أنه من خلال إعادة تصميم التخطيط المكاني الداخلي للرقاقة، يمكنها تقصير مسار الإشارة بشكل كبير وتقليل بعض حملات التوصيل البيني؛ ما سيحدد حقًا الحد الأعلى لهذه التقنية هو كيفية تحويل هذه المزايا النظرية إلى تحسينات مستدامة في الأداء مع حل مشاكل تبديد الحرارة والتصنيع الناتجة عن التراص ثلاثي الأبعاد.
التعليقات