從第一個(gè)現(xiàn)代集成電路誕生距今已有62年。這么多年以來，人們獲得更高性能產(chǎn)品的方法一直沒有改變，那就是使用更多的晶體管進(jìn)行更高密度的計(jì)算。令人欣慰的是，半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展支撐了集成電路對(duì)晶體管數(shù)量幾乎無盡的需求，并誕生了摩爾定律這樣業(yè)界統(tǒng)一的共識(shí)，不斷驅(qū)動(dòng)計(jì)算能力一步步增強(qiáng)。但是，在AI計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展后，人們發(fā)現(xiàn)AI計(jì)算對(duì)算力的渴求更勝以往。

 

　　在半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)步速度逐漸放緩的今天，如何進(jìn)一步獲得更高算力的芯片就成為AI行業(yè)共同的問題。路線開始分叉，押大還是押??？一家名為Cerebras的公司帶給我們一個(gè)新的可能——那就是越大越好，一個(gè)12英寸的晶圓上只容納一顆完整功能的AI計(jì)算芯片。這就是CerebrasWaferScaleEngine(WSE)，今天本文就和你一起來了解它的秘密。

 

　　AI計(jì)算中的深度學(xué)習(xí)計(jì)算已經(jīng)是目前最重要的計(jì)算負(fù)載之一。在過去，那些只有人類大腦才能完成的任務(wù)，如今有很多都可以使用計(jì)算機(jī)以人類或者超過人類的效率來執(zhí)行。根據(jù)OpenAI的報(bào)告顯示，自2012年以來，AI計(jì)算中所使用的的計(jì)算量呈現(xiàn)出指數(shù)增長的態(tài)勢(shì)，計(jì)算需求平均每三四個(gè)月就可以翻一番。從2012年到2018年，全球的整個(gè)計(jì)算量指標(biāo)增長了30萬倍。

 

　　▲進(jìn)入2012年后，AI計(jì)算的計(jì)算需求平均每三四個(gè)月翻一番

 

　　AI計(jì)算需求的暴增，和我們熟悉的摩爾定律所驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)速度之間產(chǎn)生了一個(gè)顯而易見的矛盾。如今的摩爾定律已經(jīng)從之前的18個(gè)月放緩到每2年到3年才使得半導(dǎo)體單位面積的晶體管數(shù)量翻倍，并且在可預(yù)見的未來，這樣的放緩速度還將繼續(xù)下去。因此，半導(dǎo)體廠商在面對(duì)市場(chǎng)的性能需求時(shí)，往往會(huì)選擇通過其他手段來增加芯片有效工作面積，提高性能。

 

　　現(xiàn)在業(yè)內(nèi)對(duì)此的態(tài)度普遍是傾向兩種看法，一種是選擇小芯片聯(lián)合提高性能，也就是Chiplet方案，這種方案比較容易在民用和商用市場(chǎng)之間取得平衡，不過如何連接諸多小芯片并取得更好的性能，業(yè)內(nèi)依舊有很多討論，當(dāng)然這也并非本期的話題，暫且不表。

 

　　另一種看法則是繼續(xù)做大芯片，這對(duì)一部分需要大規(guī)模并行計(jì)算的用戶來說是非常友好的，比如超級(jí)計(jì)算機(jī)。原因也很簡單，芯片面積越大，相對(duì)應(yīng)所涉及的外圍材料就越少。舉例來說，一個(gè)傳統(tǒng)尺寸的GPU芯片如果可以提供1TFLOPS算力的話，那么擴(kuò)大它的面積到現(xiàn)有芯片的4倍，其算力在合理的情況下還可以繼續(xù)提升2~3倍。甚至芯片面積進(jìn)一步擴(kuò)大，直接將外圍的DRAM、SRAM等集成在芯片上，由此帶來的延遲降低、帶寬增加等因素，性能還將繼續(xù)提升。同時(shí)，節(jié)約了多個(gè)小芯片系統(tǒng)所需要的PCB、供電、封裝等不同組件的成本，綜合考慮，甚至可能帶來更低的單位性能價(jià)格。

 

　　不過，芯片尺寸并不僅僅由廠商自行決定，它還受到很多其他因素的限制。比如之前英偉達(dá)、IBM和英特爾就很難推出尺寸超過800mm²的芯片，這是因?yàn)榧词故乾F(xiàn)在，i193型號(hào)的光刻步進(jìn)器最大可支持刻錄的芯片尺寸為短邊26mm，長邊33mm，面積最大可接受858mm²。因此，繼續(xù)擴(kuò)大芯片尺寸也需要考慮設(shè)備允許等問題。

 

　　▲ASML的介紹顯示，在經(jīng)過多次縮放處理后，目前能夠生產(chǎn)的最大的芯片尺寸大約是858mm²。

 

　　因此，以整體的方式（非片上拼接）制造超出常規(guī)尺寸的芯片需要更多新工具的支持。不過依舊存在一些替代方法可以達(dá)成制造更大芯片的目的，這就是晶圓級(jí)集成（Wafer-scaleintegration，簡稱為WSI）的單芯片制造方法，采用這種方法制造的芯片尺寸和晶圓本身最大直徑十分接近，在12英寸晶圓上能呈現(xiàn)“巨無霸”芯片的效果。

 

　　▲TrilogySystems的WSI芯片樣品

 

　　缺陷控制：初探晶圓級(jí)集成WSI

 

　　WSI能制造如此巨大的芯片，看起來非常美好。但實(shí)際上，WSI雖然能夠大幅度提升芯片的尺度從而提升性能，相應(yīng)的也面臨著巨大的困難?？v觀歷史，WSI在過去的50年時(shí)間中被多個(gè)廠商實(shí)踐過，但成功者寥寥。失敗的主要原因除了資金、市場(chǎng)外，技術(shù)上問題也頗多，包括超大尺度的芯片的設(shè)計(jì)、制造、封裝、散熱等，還有致命的晶圓缺陷。所謂晶圓缺陷，是指高純度硅晶圓上那些存在雜質(zhì)或晶體生成異常的區(qū)域。

 

　　作為一個(gè)晶圓尺寸級(jí)別的芯片，對(duì)電路正確的要求非常高，理論上任何電路錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致整個(gè)芯片運(yùn)作失敗。但是由于人類目前工程技術(shù)制約和物理規(guī)律限制，任何晶圓都不可能100%完美，總會(huì)有缺陷的存在。因此，WSI如何控制晶圓缺陷（甚至包括制造缺陷）就在很大程度上制約著它的成敗。

 

　　晶圓缺陷并不是一個(gè)新話題，它在普通的芯片制造中也存在，并引發(fā)了良率和成本等問題。為了更好地理解WSI技術(shù)，本文先對(duì)普通芯片制造制造過程和缺陷處理方式進(jìn)行簡單描述。

 

　　一般來說，普通芯片設(shè)計(jì)時(shí)，工程師在芯片設(shè)計(jì)階段就能確定芯片所使用的工藝代次，然后和芯片制造廠商共同確定所設(shè)計(jì)芯片的面積尺寸。在得到這些數(shù)據(jù)后，使用晶圓的面積除以目標(biāo)芯片的面積，就得到了一張晶圓可以獲得多少芯片的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)這個(gè)參考數(shù)據(jù)，芯片制造廠會(huì)在晶圓上根據(jù)芯片的尺寸給出最佳的布局方式，完成之后，晶圓看起來就像劃上了規(guī)律的方格。然后，芯片制造廠會(huì)根據(jù)布局的方格，利用同樣方格布局的掩模，使用光刻工藝進(jìn)行不斷地重復(fù)刻制、沖洗、繼續(xù)重復(fù)、沖洗等，直到形成了所需要的一個(gè)個(gè)成功的芯片圖案。接下來，廠商會(huì)根據(jù)之前設(shè)定的方格邊線，切割并分開一個(gè)個(gè)芯片，再通過檢測(cè)手段確定不能工作的芯片。

 

　　▲經(jīng)過光刻芯片后的晶元，可見大量相同的芯片排列。

 

　　對(duì)這些已經(jīng)切割的完成、但又不能正常工作的芯片而言，迎接它們的通常的做法是直接報(bào)廢，或者還可以屏蔽一部分功能后再廉價(jià)銷售。這種情況下，使用被拋棄報(bào)廢的芯片數(shù)量除以所有生產(chǎn)出的芯片數(shù)量，就得到了某種意義上的良率數(shù)據(jù)（不同情況下良率計(jì)算需求可能不同，比如是否納入屏蔽芯片等）。可以看到，傳統(tǒng)的芯片制造依靠切割芯片并拋棄一部分，來實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓缺陷和制造缺陷的控制。

 

　　▲晶圓缺陷是固有的，傳統(tǒng)的處理方法是將其拋棄。紅色點(diǎn)為晶元缺陷，黃色為需要拋棄的芯片。可見芯片面積越小，拋棄的芯片數(shù)量越少。

 

　　對(duì)WSI來說，拋棄、切割等方法都無法使用，畢竟作為一整塊芯片，難以切割部分區(qū)域。不過轉(zhuǎn)換思維來看，所謂的拋棄，只是壞塊部分在芯片意義上不存在而已，等同于存在但不工作。對(duì)WSI來說，在芯片設(shè)計(jì)上也采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方案，區(qū)塊之間相對(duì)獨(dú)立，且存在可以單獨(dú)關(guān)閉或者開啟某個(gè)區(qū)域的控制電路等，就可以在一定程度上避免“一個(gè)老鼠屎壞一鍋湯”的問題。

 

　　實(shí)際上，WSI技術(shù)解決晶圓缺陷的方法，正是通過設(shè)計(jì)階段提前布局，在發(fā)現(xiàn)缺陷塊后，通過改變芯片本身的工作邏輯來避開損壞的區(qū)域。具體實(shí)現(xiàn)上，設(shè)計(jì)人員會(huì)使用子電路的網(wǎng)格圖案和適當(dāng)?shù)奶幚磉壿?，在受損電路周圍“重新布線”，因此即使晶圓區(qū)域上有不少的錯(cuò)誤，但只要有足夠的子電路，那么整個(gè)芯片即使存在故障也可以使用。

 

　　在解決了缺陷控制問題后，WSI技術(shù)的威力終于可以爆發(fā)出來了。由于不需要切割，WSI產(chǎn)生的整個(gè)晶圓最終會(huì)被作為一個(gè)芯片看待，因此在制造過程上，WSI可以避免受到單芯片尺寸的限制。目前尚未有詳細(xì)的資料說明WSI光刻過程是如何進(jìn)行的，不過，考慮到WSI技術(shù)的特殊性，廠商完全可以利用現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)，對(duì)芯片上不同部分分區(qū)制造，當(dāng)然，WSI可能需要耗費(fèi)更多的、昂貴的掩模，但是和整個(gè)芯片的性能以及最終的單位性能價(jià)格相比，應(yīng)該還是值得的。

 

　　此外，WSI的發(fā)展歷史也值得了解。WSI的初出茅廬是在1970年到1980年，當(dāng)時(shí)主流晶圓還是2.5英寸，包括比如TI和ITT等公司都嘗試實(shí)現(xiàn)WSI技術(shù)，但是最終均告失敗。真正在WSI技術(shù)上有所突破的是一家名為TrilogySystems的公司，這家公司在1980年獲得了2.3億美元的投資，開發(fā)了名為TrilogySystems的WSI芯片，這是一個(gè)在100mm晶圓上實(shí)現(xiàn)的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，并且成功制造出了樣品，但是隨后由于各種原因包括自然災(zāi)害、資金不足等，產(chǎn)品在1985年宣布研發(fā)終止。1989年，英國一家公司也推出了WSI技術(shù)的產(chǎn)品，不過集成的是內(nèi)存顆粒，一張晶元集成2021Mb內(nèi)存，在當(dāng)時(shí)也是天文數(shù)字了。

 

　　從發(fā)展歷史來看，WSI的研發(fā)道阻且長，對(duì)Cerebras公司來說，他們對(duì)此情況應(yīng)該有充分的估計(jì)和預(yù)測(cè)。那么CerebrasWaferScaleEngine又是一款怎樣的產(chǎn)品呢？