تعاون عدد من أفضل الجامعات في الولايات المتحدة مع مصانع الرقائق المحلية لتطوير شريحة جديدة متجانسة ثلاثية الأبعاد (3D) بنجاح. يتم تكديس وحدات التخزين والحوسبة بشكل وثيق في الاتجاه الرأسي. ومن المتوقع أن يحسن بشكل كبير سرعة نقل البيانات الداخلية للرقاقة. ويعتبر معلما هاما في اختراق "جدار الذاكرة" لأجهزة الذكاء الاصطناعي.
وتم استكمال هذا الإنجاز من قبل جامعة ستانفورد، وجامعة كارنيجي ميلون، وجامعة بنسلفانيا، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وشركة SkyWater Technology، وهو مسبك محلي في الولايات المتحدة. إنها أول شريحة ثلاثية الأبعاد متجانسة يتم تصنيعها في مصنع بسكويت الويفر التجاري في الولايات المتحدة. وصلت كثافة أسلاك التوصيل البيني العمودية إلى مستوى مرتفع جديد في الرقائق ثلاثية الأبعاد الحالية. يمكن تحسين أداء العرض المُقاس والمحاكى بحوالي ترتيب من حيث الحجم مقارنة بالرقائق التقليدية ثنائية الأبعاد. وشدد فريق البحث على أن هذا لا يمثل اختراقًا في الأداء فحسب، بل يوفر أيضًا نموذجًا جديدًا للولايات المتحدة لتعزيز تصنيع الرقائق المتقدمة محليًا.
على عكس الرقائق التقليدية ثنائية الأبعاد التي "تبليط" جميع الدوائر على نفس المستوى، يستخدم هذا النموذج الأولي للرقاقة طبقات متعددة من طبقات الدوائر الرقيقة للغاية ليتم تكديسها عموديًا. وترتبط كل طبقة بشكل وثيق من خلال اتصالات عمودية عالية الكثافة، بحيث يمكن للبيانات "الانتقال لأعلى ولأسفل" بين وحدة التخزين ووحدة الحوسبة داخل الشريحة، مما يؤدي إلى تقصير مسار النقل بشكل كبير. وفي ظل هذه البنية، يتم زيادة الذاكرة المحلية المتاحة بشكل كبير، ولا تحتاج البيانات إلى الانتقال بشكل متكرر بين وحدات التخزين البعيدة ونوى الحوسبة، مما يخفف بشكل أساسي من عنق الزجاجة "جدار الذاكرة" الذي ابتليت به منذ فترة طويلة رقائق الذكاء الاصطناعي عالية الأداء.
يشير "جدار الذاكرة" إلى التحسين المستمر لقدرة الحوسبة لوحدات الحوسبة، ولكن من الصعب مواكبة معدل نقل البيانات بين الشريحة الداخلية ووحدة التخزين الخارجية، مما يتسبب في "انتظار البيانات" للمعالج في كثير من الأحيان وإهدار قوة الحوسبة بشدة. لعقود من الزمن، اعتمدت صناعة أشباه الموصلات بشكل أساسي على التقليص المستمر لحجم الترانزستورات وتعبئة المزيد من الأجهزة على نفس المستوى للتخفيف من هذه المشكلة. ومع ذلك، فإن هذا الطريق يقترب من الحدود المادية ويعرف باسم "الجدار المنكمش". تدمج هذه الشريحة المتجانسة ثلاثية الأبعاد الجديدة دوائر التخزين والمنطق في الاتجاه الرأسي، وهو ما يعادل بناء صفوف من "أعمدة المصعد" داخل الشريحة، مما يسمح لكمية كبيرة من البيانات بالتدفق بين "طوابق" مختلفة بسرعة عالية في نفس الوقت، وبالتالي إيجاد طريقة جديدة للخروج في ظل القيود المزدوجة لـ "جدار الذاكرة" و"الجدار المصغر".
لقد حاولت الصناعة سابقًا بناء نظام ثلاثي الأبعاد من خلال تكديس العديد من الرقائق المصنعة لأعلى ولأسفل. ومع ذلك، غالبًا ما تكون طريقة "الرقاقة المكدسة" هذه خشنة ومتناثرة في الاتصالات بين الطبقات، ولا تزال هناك اختناقات واضحة. يستخدم هذا البحث عملية ثلاثية الأبعاد "متجانسة": تتم زراعة كل طبقة وظيفية ومعالجتها مباشرة على نفس الرقاقة بالتسلسل. تعمل عملية درجة الحرارة المنخفضة على تجنب تلف الدوائر الأساسية، لذلك يمكن إجراء التوصيل البيني عالي الكثافة على نطاق أصغر. ويُنظر إلى هذه العملية، التي اكتملت بالكامل في مصنع الرقائق التجاري التابع لشركة SkyWater في بلومنجتون بولاية مينيسوتا، على أنها خطوة مهمة من المفهوم المختبري إلى بنية إنتاج قابلة للتطوير.
من حيث الأداء، أظهر اختبار الأجهزة المبكر أن شريحة النموذج الأولي الحالية قد حققت حوالي أربعة أضعاف تحسين الأداء مقارنة بالتصميم ثنائي الأبعاد المشابه. تُظهر نتائج المحاكاة الإضافية أنه عند الاستمرار في زيادة عدد طبقات التراص العمودي وبناء بنية "أرضية" أعلى على هذا الأساس، يمكن تحسين الأداء العام بما يصل إلى اثني عشر مرة تقريبًا على أحمال الذكاء الاصطناعي الفعلية بما في ذلك نموذج LLaMA الكبير مفتوح المصدر. وشدد فريق البحث بشكل خاص على أنه من المتوقع نظريًا أن تحقق البنية الجديدة تحسنًا بمقدار 100 إلى 1000 ضعف في منتج تأخير الطاقة (EDP)، وهو مؤشر رئيسي يقيس الأداء العام للسرعة وكفاءة الطاقة.
ومن خلال تقصير مسافة نقل البيانات بشكل كبير وزيادة عدد القنوات العمودية، من المتوقع أن تحقق الشريحة إنتاجية أعلى واستهلاكًا أقل للطاقة لكل عملية، مما يلغي الحاجة إلى "الاختيار" التقليدي بين الأداء واستهلاك الطاقة. ويعتبر الباحثون هذا أحد المسارات الرئيسية لدعم الجيل القادم من أنظمة الذكاء الاصطناعي واسعة النطاق والتحرك نحو هدف "تحسين أداء الأجهزة بآلاف المرات". وهم يعتقدون أن هذا الاختراق يفتح بعدًا تقنيًا جديدًا لتطور أجهزة الذكاء الاصطناعي في المستقبل، مع القدرة على دعم التدريب وتشغيل نماذج أكبر وأكثر تعقيدًا وفي الوقت الفعلي.
وتنعكس أهمية هذا العمل أيضًا في مستوى الصناعة وتدريب المواهب: فمن خلال الشريط الناجح لشريحة ثلاثية الأبعاد واحدة في مصنع رقائق تجاري محلي في الولايات المتحدة، يعتقد الفريق أنه قدم نموذجًا واقعيًا لبناء نظام شرائح متقدم "تم تصميمه في الولايات المتحدة وتصنيعه في الولايات المتحدة". ويشبه الباحثون ذلك بثورة الدوائر المتكاملة في الثمانينيات، حيث قادت مجموعة من الطلاب الذين يدرسون تصميم الرقائق وتصنيعها في الجامعات الأمريكية انطلاقة صناعة السيليكون. يتطلب التحول اليوم إلى التكامل ثلاثي الأبعاد المتجانس أيضًا جيلًا جديدًا من المهندسين لإتقان المعرفة الجديدة بالعمليات والهندسة المعمارية.
ومن خلال التمويل والتعاون من مشاريع مثل برنامج Microelectronics Commons الأمريكي ومركز أجهزة الذكاء الاصطناعي في شمال غرب كاليفورنيا والمحيط الهادئ (Northwest-AI-Hub)، بدأت الجامعات ذات الصلة في تنفيذ تدريب منهجي حول التكامل ثلاثي الأبعاد والأجهزة الخاصة بالذكاء الاصطناعي. وأشار المشاركون إلى أن القدرة على تصنيع شرائح ثلاثية الأبعاد متقدمة محلياً لا تعني الريادة في مؤشرات الأداء فحسب، بل تعني أيضاً اتخاذ مبادرة أكبر في وتيرة الابتكار وأمن سلسلة التوريد واتجاه تطوير تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي.
وفقًا للتقارير، تم إجراء البحث بشكل مشترك في كلية الهندسة بجامعة ستانفورد، وكلية الهندسة بجامعة كارنيجي ميلون، وكلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة بنسلفانيا، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث تتم معالجة جميع عمليات تصنيع الرقائق بواسطة SkyWater Technology. حصل المشروع على تمويل من وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية (DARPA)، وبرنامج المنح الدراسية للخريجين التابع لمؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، وسامسونج، ومعهد ستانفورد بريكورت لأبحاث الطاقة، وتحالف ستانفورد سيستم إكس، ومركز أجهزة الذكاء الاصطناعي "مشاع الإلكترونيات الدقيقة" التابع لوزارة الدفاع الأمريكية، ووزارة الطاقة الأمريكية، و"مبادرة مستقبل أشباه الموصلات" التابعة لمؤسسة العلوم الوطنية.
تم تجميعها من /ScitechDaily