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在之前的演讲先容中，台积电曾屡次谈到了万亿晶体管的道路图。今天，在IEEE网站上，发表了一篇签字为《How We’ll Reach a 1 Trillion Transistor GPU》的著作，申诉了台积电是若何达成万亿晶体管芯片的地点。

值得一提的是，本文签字作家MARK LIU（刘德音）和H.-S. PHILIP WONG，其中刘德音是台积电董事长。H.-S Philip Wong则是斯坦福大学工程学院教师、台积电首席科学家。

在这里，咱们将此文翻译出来，以飨读者。

以下为著作正文：

1997 年，IBM 深蓝超等策划机打败了海外象棋天下冠军Garry Kasparov。这是超等策划机时刻的冲破性演示，亦然对高性能策划有一天可能超越东说念主类智能水平的初度展示。在接下来的10年里，咱们泉源将东说念主工智能用于好多内容任务，举例面部识别、谈话翻译以及保举电影和商品。

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再过十五年，东说念主工智能还是发展到不错“合成学问”（synthesize knowledge）的地步。生成式东说念主工智能，如ChatGPT和Stable Diffusion，不错创作诗歌、创作艺术品、会诊疾病、编写回归回报和策划机代码，甚而不错假想与东说念主类制造的集成电路相比好意思的集成电路。

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东说念主工智能成为整个东说念主类功绩的数字助手，濒临着深广的机遇。ChatGPT是东说念主工智能若何使高性能策划的使用民主化、为社会中的每个东说念主带来公正的一个很好的例子。

整个这些奇妙的东说念主工智能应用都归功于三个成分：高效机器学习算法的创新、进修神经鸠合的大都数据的可用性，以及通过半导体时刻的卓著收尾节能策划的卓著。尽管它无处不在，但对生成式东说念主工智能创新的终末孝顺却莫得得到应有的招供。

在当年的三十年里，东说念主工智能的紧要里程碑都是由那时最初的半导体时刻收尾的，莫得它就不可能收尾。Deep Blue 继承 0.6 微米和 0.35 微米节点芯片制造时刻的搀和收尾；获得 ImageNet 竞赛的深度神经鸠合并开启了刻下机器学习期间的缔造使了用 40 纳米时刻打造的芯片；AlphaGo 使用 28 纳米时刻降服了围棋游戏；ChatGPT 的启动版块是在继承 5 纳米时刻构建的策划机上进行进修的。；ChatGPT 的最新版块由使用更先进的4 纳米时刻的做事器提供营救。所波及的策划机系统的每一层，从软件和算法到架构、电路假想和缔造时刻，都充任东说念主工智能性能的乘数。但不错公说念地说，基础晶体管器件时刻鼓动了上头各层的卓著。

要是东说念主工智能创新要以面前的速率接续下去，它将需要半导体行业作念出更多孝顺。十年内，它将需要一个 1 万亿晶体管的 GPU，也便是说，GPU 的缔造数目是现在典型缔造数目的 10 倍。

AI 模子大小的不停增长，让东说念主工智能进修所需的策划和内存拜谒在当年五年中加多了几个数目级。举例，进修GPT-3需要颠倒于一整天每秒卓著 50 亿次的策划操作（即 5,000 petaflops /天），以及 3 万亿字节 (3 TB) 的内存容量。

新的生成式东说念主工智能应用要道所需的策划才气和内存拜谒都在捏续快速增长。咱们现在需要修起一个垂危的问题：半导体时刻若何跟上措施？

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自集成电路发明以来，半导体时刻一直致力于于于减弱特征尺寸，以便咱们不错将更多晶体管塞进缩略图大小的芯片中。如今，集成度还是高潮了一个档次；咱们正在超越 2D 缩放参加3D 系统集成。咱们现在正在将好多芯片组合成一个缜密集成、大领域互连的系统。这是半导体时刻集成的范式振荡。

在东说念主工智能期间，系统的才气与系统中集成的晶体管数目成正比。主要限度之一是光刻芯片制造器用被假想用于制造不卓著约 800 平日毫米的 IC，即所谓的光罩限度（reticle limit）。但咱们现在不错将集成系统的尺寸推广到光刻掩模版极限以外。通过将多个芯片贯串到更大的中介层（一块内置互连的硅片）上，咱们不错集成一个系统，该系统包含的缔造数目比单个芯片上可能包含的缔造数目要多得多。举例，台积电的CoWoS（chip-on-wafer-on-substrate ）时刻就不错容纳多达六个掩模版区域的策划芯片，以及十几个高带宽内存（HBM）芯片。

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CoWoS是台积电的硅晶圆上芯片先进封装时刻，面前已在家具中得到应用。示例包括 Nvidia Ampere 和 Hopper GPU。当中每一个都由一个 GPU 芯片和六个高带宽内存立方体组成，全部位于硅中介层上。策划 GPU 芯片的尺寸约莫是芯片制造器用刻下允许的尺寸。Ampere有540亿个晶体管，Hopper有800亿个。从 7 纳米时刻到更密集的 4 纳米时刻的振荡使得在基本相通的面积上封装的晶体管数目加多了 50%。Ampere 和 Hopper 是现在大型谈话模子 ( LLM ) 进修的主力。进修 ChatGPT 需要数万个这么的料理器。

HBM 是对 AI 日益重要的另一项弱点半导体时刻的一个例子：通过将芯片堆叠在一王人来集成系统的才气，咱们在台积电称之为SoIC (system-on-integrated-chips) 。HBM 由限度逻辑 IC顶部的一堆垂直互连的 DRAM 芯片组成。它使用称为硅通孔 (TSV) 的垂直互连来让信号通过每个芯片和焊料凸点以酿成存储芯片之间的贯串。如今，高性能 GPU无为使用 HBM 。

预测将来，3D SoIC 时刻不错为现在的传统 HBM 时刻提供“无凸块替代有策划”（bumpless alternative），在堆叠芯片之间提供更密集的垂直互连。最近的弘扬标明，HBM 测试结构继承搀和键合时刻堆叠了 12 层芯片，这种铜对铜贯串的密度高于焊料凸块所能提供的密度。该存储系统在低温下粘合在较大的基础逻辑芯片之上，皇冠新网址总厚度仅为 600 µm。

关于由大都运行大型东说念主工智能模子的芯片组成的高性能策划系统，高速有线通讯可能会很快限度策划速率。如今，光学互连已被用于贯串数据中心的做事器机架。咱们很快就会需要基于硅光子学的光学接口，并与 GPU 和 CPU 封装在一王人。这将允许扩大动力成果和面积成果的带宽，以收尾径直的光学 GPU 到 GPU 通讯，这么数百台做事器就不错充任具有融合内存的单个巨型 GPU。

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由于东说念主工智能应用的需求，硅光子将成为半导体行业最重要的使能时刻之一。

迈向万亿晶体管 GPU

如前所述，用于 AI 进修的典型 GPU 芯片还是达到了标线区域极限（reticle field limit）。他们的晶体管数目约为1000亿个。晶体管数目加多趋势的捏续将需要多个芯片通过 2.5D 或 3D 集成互连来本质策划。通过 CoWoS 或 SoIC 以及干系的先进封装时刻集成多个芯片，不错使每个系统的晶体管总额比压缩到单个芯片中的晶体管总额大得多。如AMD MI 300A 便是继承这么的时刻制造的。

AMD MI300A 加快料理器单位不仅独揽了CoWoS，还独揽了台积电的 3D 时刻SoIC。MI300A集聚了 GPU 和 CPU内核，旨在料理最大的东说念主工智能使命负载。GPU为AI本质密集的矩阵乘法运算，而CPU限度通盘系统的运算，高带宽存储器（HBM）融合为两者做事。继承 5 纳米时刻构建的 9 个策划芯片堆叠在 4 个 6 纳米时刻基础芯片之上，这些芯片专用于缓存和 I/O 流量。基础芯片和 HBM 位于硅中介层之上。料理器的策划部分由 1500 亿个晶体管组成。

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咱们预测，十年内，多芯片 GPU 将领有卓著 1 万亿个晶体管。

咱们需要在 3D 堆栈中将整个这些小芯片贯串在一王人，但幸运的是，业界还是大致快速减弱垂直互连的间距，从而加多贯串密度。况且还有有余的空间容纳更多。咱们觉得互连密度莫得原理不可增长一个数目级，甚而更高。

GPU 的节能性能趋势

那么，整个这些创新的硬件时刻若何升迁系统的性能呢？

要是咱们不雅察一个称为节能性能的主义的稳步变调，咱们就不错看到做事器 GPU 中还是存在的趋势。EEP 是系统动力成果和速率（the energy efficiency and speed of a system）的详细臆想圭臬。当年 15 年来，半导体行业的能效性能每两年就升迁了三倍支配。咱们信服这一趋势将以历史速率捏续下去。它将受到多方面创新的鼓动，包括新材料、器件和集成时刻、极紫外（EUV）光刻、电路假想、系统架构假想以及整个这些时刻元素的共同优化等。

特殊是，EEP 的加多将通过咱们在此缠绵的先进封装时刻来收尾。此外，系统时刻协同优化 (STCO：system-technology co-optimization)等见地将变得越来越重要，其中 GPU 的不同功能部分被分辩到各自的小芯片上，并使用性能最好和最经济的时刻来构建每个部分。

3D 集成电路的Mead-Conway时期

1978年，加州理工学院教师Carver Mead和施乐帕洛阿尔托考虑中心的Lynn Conway发明了集成电路的策划机扶植假想形态。他们使用一组假想轨则来描画芯片缩放，以便工程师不错任意假想超大领域集成（VLSI）电路，而无需了解太多工艺时刻。

3D 芯片假想也需要雷同的功能。如今，假想东说念主员需要了解芯片假想、系统架构假想以及硬件和软件优化。制造商需要了解芯少顷刻、3D IC时刻和先进封装时刻。正如咱们在 1978 年所作念的那样，咱们再次需要一种通用谈话，以电子假想器用不错默契的神志描画这些时刻。这种硬件描画谈话使假想东说念主员不错解放地进行 3D IC 系统假想，而无需研究底层时刻。它正在路上：一种名为3Dblox 的开源圭臬已被现在大多数时刻公司和电子假想自动化 (EDA) 公司所收受。

《指导意见》起草组坚持问题导向原则，深入分析了行业标准化工作存在的重技术标准轻业务标准、各方标准化意识不强、标准服务重大改革发展不够突出、系统化的标准工作体系不够健全、标准实施力度不足等5方面问题，提出相应的工作任务。具体来看，一是推动业务与标准化深度融合。以标准服务资本市场各类业务高质量发展为导向，开展全业务链质量提升、支撑标准的研制，通过业务标准的形式固化行业经验或优秀案例，加强业务标准化示范项目建设并积极推广。

贞洁以外的将来

在东说念主工智能期间，半导体时刻是东说念主工智能新才气和应用的弱点鼓动者。新的 GPU 不再受当年的圭臬尺寸和外形尺寸的限度。新的半导体时刻不再局限于在二维平面上减弱下一代晶体管。集成东说念主工智能系统不错由尽可能多的节能晶体管、用于特意策划使命负载的高效系统架构以及软件和硬件之间的优化关系组成。

当年 50 年来，半导体时刻的发展就像走在贞洁里一样。前边的路很明晰，因为有一条明确的说念路。每个东说念主都知说念需要作念什么：减弱晶体管。

现在，咱们还是到达贞洁的终点。从这里泉源，半导体时刻将变得愈加难以发展。然则，在贞洁以外，还有更多的可能性。咱们不再受当年的敛迹。

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著作来源：半导体行业不雅察，原文标题：《一万亿晶体管GPU将到来重庆时时彩彩票网，台积电董事长撰文解读》

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