Fizyka staje na drodze rozwojowi technologicznemu

Nowoczesne półprzewodniki, które są fundamentem dla centrów danych, zbliżają się do swoich fizycznych granic. To zbiega się z rosnącym zapotrzebowaniem na sztuczną inteligencję i zaawansowane przetwarzanie danych. W efekcie branża stoi przed poważnym wyzwaniem – poszukiwaniem rozwiązań, które wyprzedzą obecne mikroukłady.

Jednym z liderów tej zmiany jest NVIDIA, której wartość rynkowa niedawno wzrosła do około 5 bilionów dolarów. Procesory Zielonych to skomplikowane rozwiązania, każdy układ, zamknięty w obudowie z miedzianymi połączeniami, zawiera do 208 miliardów tranzystorów.

Dochodzimy do ściany

Chociaż pojedynczy chip kosztuje około 30 000 dolarów, oferuje on niezwykłą moc obliczeniową. Najnowsze osiągnięcia NVIDII pozwalają chipom działać wspólnie jako ogromne komputery, a nie jako pojedyncze jednostki przetwarzające.

Rosnące potrzeby związane z rozwojem sztucznej inteligencji prowadzą jednak do momentu, w którym napotykamy na ograniczenia narzucone przez fizykę. W samym sercu produkcji chipów leży ekstremalna litografia ultrafioletowa, proces opanowany przez holenderską firmę ASML, która produkuje maszyny warte 380 milionów dolarów.

Choć jest to zaawansowana technologia, nawet najnowsze systemy litograficzne napotykają na fundamentalne ograniczenie.

Prawo fizyki ogranicza wielkość pojedynczego układu scalonego do około 800 milimetrów kwadratowych, co oznacza, że większa moc obliczeniowa wymaga podziału zadań na mniejsze chipy, które muszą być połączone gęstszymi systemami okablowania i łączy światłowodowych.

Te ograniczenia są widoczne w projektach nowoczesnych centrów danych, gdzie coraz częściej stosuje się tzw. chiplety – mniejsze układy scalone połączone w celu zwiększenia wydajności. Jednak to fragmentowanie wprowadza dodatkowe opóźnienia komunikacyjne i wymaga bardziej zaawansowanego pakowania chipów, co zwiększa złożoność systemu.

Firmy technologiczne poszukują nowych rozwiązań

Aby poradzić sobie z tymi wyzwaniami, badacze i firmy zajmujące się półprzewodnikami zaczęły eksperymentować z nowymi metodami integracji układów. Jednym z obiecujących rozwiązań jest integracja na poziomie całego wafla krzemowego (wafer-scale integration).

Przykładem takiego podejścia jest firma Cerebras, która stworzyła WSE-3 – układ zawierający cztery biliony tranzystorów i oferujący 7 tysięcy razy większą przepustowość pamięci niż tradycyjne układy scalone.

W przeciwieństwie do standardowych architektur, WSE-3 umieszcza pamięć bezpośrednio w wafel krzemowy, co znacząco redukuje opóźnienia i zmniejsza rozmiar całych centrów danych.

Innym interesującym projektem jest projekt Tesla Dojo, który testował podobne koncepcje, choć został wewnętrznie porzucony.

Wciąż żyje jednak w innych inicjatywach, takich jak DensityAI. Dodatkowo firma Lam Research rozwija nową technologię litografii elektronowej, która pozwala na tworzenie większych wafli.