美國工程師研發(fā)出速度提升一個數(shù)量級的3D芯片

美國科研團(tuán)隊制造出首枚單片式3D芯片，這款芯片的獨(dú)特架構(gòu)有望開啟人工智能硬件與本土半導(dǎo)體創(chuàng)新的新紀(jì)元。在硬件測試與仿真實(shí)驗中，這款3D芯片的性能比傳統(tǒng)2D芯片高出約一個數(shù)量級。不同于當(dāng)前主流的平面2D芯片，這款新型原型芯片的關(guān)鍵超薄組件如同高樓大廈般垂直堆疊，其縱向布線如同高速電梯般實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速傳輸。

該芯片創(chuàng)紀(jì)錄的垂直連接密度，以及存儲單元與計算單元的精妙交織設(shè)計，突破了長期制約平面芯片發(fā)展的性能瓶頸。斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授蘇巴希什·米特拉表示："這開啟了芯片生產(chǎn)與創(chuàng)新的全新時代。此類技術(shù)突破將幫助未來AI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)千倍的硬件性能飛躍。"雖然學(xué)術(shù)界此前已制造出實(shí)驗性3D芯片，但這是首款在商業(yè)代工廠生產(chǎn)且展現(xiàn)顯著性能優(yōu)勢的3D芯片。

研究團(tuán)隊指出，傳統(tǒng)2D芯片的組件布局在單一平面上，內(nèi)存有限且分散，數(shù)據(jù)只能通過少量漫長而擁擠的路徑傳輸。由于計算單元運(yùn)行速度遠(yuǎn)超數(shù)據(jù)傳輸速度，加之芯片無法在近端存儲足夠內(nèi)存，系統(tǒng)始終處于等待數(shù)據(jù)的狀態(tài)。這種被稱為"內(nèi)存墻"的瓶頸，正是指芯片的數(shù)據(jù)供給能力無法匹配處理速度的困境。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)助理教授塔塔加塔·斯里馬尼解釋道："通過縱向集成存儲與計算單元，我們能以更快的速度傳輸更多信息，就像摩天大樓的電梯群能同時運(yùn)送大量乘客往返不同樓層。"這項研究由斯坦福大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院的工程師與SkyWater Technology公司合作完成。

早期硬件測試顯示，該原型芯片性能已達(dá)同類2D芯片的四倍。對具有更多堆疊層的未來版本進(jìn)行的仿真實(shí)驗表明，其性能還將實(shí)現(xiàn)更大飛躍。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，在包括源自Meta開源LLaMA模型的實(shí)際AI工作負(fù)載測試中，增加堆疊層數(shù)的設(shè)計方案可提升高達(dá)十二倍的性能。

研究團(tuán)隊宣稱，該設(shè)計為"能耗延遲積"這項平衡速度與能效的關(guān)鍵指標(biāo)帶來了百倍至千倍的改進(jìn)空間。通過大幅縮短數(shù)據(jù)傳輸距離并增加垂直通道，芯片既能實(shí)現(xiàn)更高吞吐量，又能降低單次運(yùn)算能耗——這種組合曾被普遍認(rèn)為傳統(tǒng)平面架構(gòu)無法企及。

賓夕法尼亞大學(xué)助理教授羅伯特·M·拉德韋指出："內(nèi)存墻與微型化壁壘形成了致命組合。我們通過緊密集成存儲與邏輯單元，并以極高密度向上構(gòu)建的方式正面攻克了這個難題。這就像曼哈頓的立體城市規(guī)劃——我們能在有限空間容納更多功能單元。"

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