مرز نامرئی که صنعت نیمههادی را متوقف کرده است
بیش از یک دهه است که کلانشرکتهای فناوری از فرمولی ساده برای ساخت قدرتمندترین پردازندههای گرافیکی پیروی میکردند: فشردهسازی بیشترین تعداد ترانزیستور در بزرگترین مساحت ممکن. اما این روند رو به پایان است. دایهای پرچمدار نسلهای ولتا، آمپر و هاپر انویدیا همگی به یک مرز نامرئی اما بیرحم رسیدهاند: 815، 826 و 814 میلیمتر مربع. این مرز محدودیت رتیکل نام دارد و امروز دیواری شده که صنعت شتابدهندههای هوش مصنوعی را مجبور به تغییر مسیر کرده است. انویدیا اخیراً این سقف فیزیکی را آنقدر جدی گرفت که طراحی چند تراشهای جدید خود را پیش از رسیدن به مرحله تولید لغو کرد.
محدودیت رتیکل واقعاً چیست؟
اسکنرهای لیتوگرافی فرابنفش شدید یا EUV، ویفرهای سیلیکونی را یکباره نمیسازند. آنها این سطح را پازلوار چاپ میکنند. خودِ رتیکل در واقع یک ماسک نوری است که طرح نهایی تراشه در آن حک شده است. اسکنر این ماسک را روی ویفر حرکت داده و در هر شلیک نوری، یک میدان مستطیلی را اکسپوز میکند. ماسکهای استاندارد دارای ابعاد 104 در 132 میلیمتر هستند که اسکنر آنها را با کاهش 4 برابری روی ویفر تصویر میسازد. نتیجه نهایی یک میدان نوری به ابعاد 26 در 33 میلیمتر است. پس از کسر خطوط برش و علائم تراز دقیق، حدود 830 میلیمتر مربع به عنوان مساحت فیزیکی قابل استفاده باقی میماند. این عدد یک پیشنهاد استراتژیک یا ترجیح مهندس طراح نیست. یک محدودیت مهندسی است که کارخانههای پیشرفته دنیا، از TSMC تا اینتل، همگی مجبورند در آن خطکشی کنند.
چرایی شکلگیری این دیوار سهضلعی
سه نیروی فیزیکی دست به دست هم میدهند تا محدودیت رتیکل را غیرقابل تغییر نگه دارند:
محدودیتهای اپتیکی
ستون لنزهای اسکنر دارای یک دهانه عددی (Numerical Aperture) و یک شکاف فیزیکی محدود است. عبور از مرز 26 در 33 میلیمتر باعث اعوجاج تصویر و افت شدید رزولوشن میشود. هیچ تکنولوژی اپتیکی فعلی نمیتواند مستطیل بزرگتری را با دقت نانو تصویر کند.
موانع مکانیکی
در حین نوردهی، میز ماسک (رِتیکل) و میز ویفر در جهتهای مخالف حرکت میکنند. اندازه میدان مستقیماً به جابجایی فیزیکی این میزها و عرض شکاف نوری وابسته است.
اقتصاد بازده تولید
حتی اگر مهندسان بتوانند دای بزرگتری چاپ کنند، چگالی نقصهای تصادفی روی ویفر، توجیه اقتصادی آن را از بین میبرد. با نرخ معمول 0.08 تا 0.1 نقص در هر سانتیمتر مربع، یک تراشه 800 میلیمتر مربعی پیش از اعمال مکانیزمهای افزونگیسازی، بازده تولیدی زیر 50 درصد خواهد داشت. هر میلیمتر مربع اضافه شدن به مساحت دای، هزینه خرابی کل تراشه را بهصورت نمایی افزایش میدهد.
یک دهه درجا زدن و نقطه عطف بلکول
تاریخچه دیتاسنترهای انویدیا، روایتی واضح از برخورد با این سقف فیزیکی است:
| نسل پردازنده | سال عرضه | گره عملیاتی | تعداد ترانزیستور | مساحت دای |
|---|---|---|---|---|
| پاسکال GP100 | 2016 | TSMC 16FF | 15.3 میلیارد | 610 میلیمتر مربع |
| ولتا GV100 | 2017 | TSMC 12FFN | 21.1 میلیارد | 815 میلیمتر مربع |
| آمپر GA100 | 2020 | TSMC 7N | 54.2 میلیارد | 826 میلیمتر مربع |
| هاپر GH100 | 2022 | TSMC 4N | 80 میلیارد | 814 میلیمتر مربع |
| بلکول B200 | 2024 | TSMC 4NP | 208 میلیارد | 2 × ~800 میلیمتر مربع |
تا سال 2023، استراتژی اصلی انویدیا و سایر رقبا تنها یک چیز بود: به حداکثر ابعاد قابل چاپ نزدیکتر شدن. معماریهای ولتا، آمپر و هاپر عملاً به این مرز چسبیده بودند. اما بلکول راه حل جدیدی را به نمایش گذاشت. انویدیا به جای تلاش برای شکستن دیوار اپتیکی، دو دای مجزا به مساحت حدود 800 میلیمتر مربع ساخت و آنها را با رابطهای ارتباطی سریع NV-HBI به هم دوخت. دو برابر شدن ظرفیت پردازشی نسل بلکول نسبت به هاپر، حاصل تغییر گره تولیدی نیست. نتیجه مستقیم عبور از معماری تکتراشهای به سیستمهای چندقطعهای است.
اقتصاد پنهان و عصر انقلاب چیپلتها
دانش متعارف در صنعت نیمههادی همیشه این بوده که مساحت بیشتر، بهمعنای خرابی بیشتر و هزینه سرسامآور تولید است. این اصل، موتور اصلی محرک انقلاب چیپلت شده است. مدلهای تحلیلی صنعت نشان میدهند که مقایسه یک تراشه یکپارچه 800 میلیمتر مربعی با طراحی دو تکه 432 میلیمتر مربعی بر روی همان گره تکنولوژیک، تفاوت چشمگیری در نرخ رد شدن و هزینه نهایی ایجاد میکند. وقتی مهندسان دیگر نمیتوانند از دیوار لیتوگرافی عبور کنند، باید از کنار آن بگذرند.
آینده بدون مرزهای اپتیکی
آینده پردازندههای هوش مصنوعی و گرافیکی دیگر در تراشیدن نور روی ویفرهای بزرگتر خلاصه نمیشود. آینده در بستهبندی پیشرفته، اتصالات میانتراشهای و معماریهای ماژولاری تعریف خواهد شد. انویدیا با لغو پروژههای بلندپروازانه تکتراشهای و حرکت سریعتر به سمت سیستمهای چندقطعهای، این پارادایم جدید را نه بهعنوان یک محدودیت، بلکه بهعنوان استاندارد بعدی پذیرفته است. آینده این صنعت به جای مهندسی نور، در مهندسی اتصال و تلفیق هوشمندانه قطعات کوچکتر با هم شکل میگیرد.
