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集成電路是由許多晶體管（小開關(guān)）組成的硅三明治，這些晶體管（小開關(guān)）連接在一起形成電路。

自從 Robert Noyce 和 Jack Kilby 在 1958-59 年共同發(fā)明集成電路以來，晶體管密度不斷提高。你可以在航天器、航空、通信以及對(duì)我們大多數(shù)人來說最明顯的那個(gè)時(shí)代的消費(fèi)產(chǎn)品中看到這種變化。例如，在 IC 的早期，最早的產(chǎn)品之一是基本的四功能 1973 Sears/Bowmar 手持計(jì)算器。六十年后，熱門的消費(fèi)產(chǎn)品是一款連接到互聯(lián)網(wǎng)“世界大腦”的語音激活智能手機(jī)——這出現(xiàn)在一代人之前的科幻小說里。硅芯片或集成電路 (IC) 是人類最宏偉、最復(fù)雜、最具變革性的創(chuàng)造之一。

到達(dá)那里花了很長(zhǎng)時(shí)間，但進(jìn)展很穩(wěn)定：自從 Fairchild Semiconductor 化學(xué)工程師 Gordon Moore 于 1965 年首次撰寫有關(guān) IC 的文章以來，大約每 18-24 個(gè)月，集成電路上的晶體管數(shù)量就會(huì)翻一番。允許這一點(diǎn)的基本過程是光刻，如果你把它分解成它的希臘起源，它的意思是“用光在石頭上書寫”。下面的圖 1 顯示了總體思路。

光（通常是紫外線）通過模板照射，其圖案是芯片設(shè)計(jì)人員想要燒入芯片的圖案。在此之前和之后應(yīng)用特殊化學(xué)品，并重復(fù)該過程，直到形成由多層組成的三明治，并且 IC 完成并準(zhǔn)備好進(jìn)行封裝。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師 Gordon Bell 曾經(jīng)指出，在完全依賴 IC 的計(jì)算機(jī)中獲得盡可能高的速度通常與“pipeline和封裝”有關(guān)。由于集成電路運(yùn)行得越快就會(huì)變得越熱，因此高速計(jì)算機(jī)不得不擔(dān)心保持芯片冷卻。我們可以看到，這種限制與傳奇超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師 Seymour Cray 的幾項(xiàng)專利與保持其世界領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)冷卻的方法有關(guān)。對(duì)于總是挑戰(zhàn)可能性極限的Cray 來說，防止系統(tǒng)燒毀與設(shè)計(jì)快速電路同樣重要。

Cerebras 是一家資金雄厚的硅谷初創(chuàng)公司，它開發(fā)了一種最巧妙、技術(shù)上最優(yōu)雅的解決方案，以解決在芯片上“塞滿”（用 Gordon Moore 的話）更多晶體管同時(shí)保持芯片冷卻的問題。事情能推進(jìn)到什么地步？答案令人震驚：在一塊巨大的單方形硅片上，一側(cè)約 8.5 英寸，Cerebras 晶圓級(jí)引擎 (WSE) 擁有 2.6 萬億個(gè)晶體管，構(gòu)成 850,000 個(gè) AI 優(yōu)化處理單元。（圖 2。）WSE 中晶體管的尺寸為 7 納米。人類 DNA 為 2.5 納米。到目前為止，在這個(gè) Cerebras 芯片中的晶體管數(shù)量比博物館永久收藏的所有 100,000 個(gè)計(jì)算對(duì)象的總和還要多。

WSE 的聰明之處在于其設(shè)計(jì)和制造在很大程度上遵循了現(xiàn)有的行業(yè)流程和方法。他們獨(dú)特的天才在于為 WSE 提供了一個(gè)最先進(jìn)的生態(tài)系統(tǒng)——一個(gè)為其提供電力、冷卻和通信的生態(tài)系統(tǒng)。

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，Cerebras 不依賴于一些奇特的新方法或技術(shù)，而是依賴于現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝——只需稍微修改它們。（例如，當(dāng)您將一塊標(biāo)準(zhǔn)的 300 毫米晶圓切割成正方形時(shí)，剩下的 8.5 英寸的側(cè)面占位面積）。

考慮到這些線程——封裝、冷卻和晶體管密度——這個(gè)驚人的芯片在封裝后會(huì)是什么樣子？（圖 3）WSE 本身位于中間，在一些非常硬核的硬件中顯得相當(dāng)精致。不過，這種周邊技術(shù)是 WSE 運(yùn)作的關(guān)鍵，因?yàn)樗韧ㄟ^一些非常嚴(yán)格的連接器系統(tǒng)將 WSE 連接到外部世界，又通過它接觸的冷板抽水以保持涼爽（再次是貝爾和克雷），并提供了令人驚嘆的20 kW 的電力為數(shù)以萬億計(jì)的晶體管供電。順便說一句，這足以為大約五個(gè)美國(guó)家庭供電。這聽起來很多，但實(shí)際上每個(gè)晶體管只有幾十億分之一瓦。當(dāng)您將普通計(jì)算機(jī)的機(jī)架縮小到單個(gè)芯片時(shí)，您必須解決這些工程問題。

Cerebras 晶圓級(jí)引擎的規(guī)模、雄心和性能幾乎超出想象。

由于對(duì)大規(guī)模集成的所有關(guān)注（將所有東西放在一個(gè)巨大的芯片上并有效地封裝它），一個(gè)典型的 Cerebras 系統(tǒng)的大小約為使用“古老方式”將數(shù)十萬個(gè)芯片連接在一起的等效計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 1/10在單獨(dú)的電路板上，在單獨(dú)的機(jī)柜中，然后將它們連接在一起。當(dāng)被問及為什么他不喜歡在他的超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用多個(gè)小型處理器時(shí)，傳奇計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師 Seymour Cray 打趣道：“你寧愿用什么來拉犁？一頭大公牛還是 64 只雞？”

那么，你想知道 WSE 中這些數(shù)萬億個(gè)晶體管的用途是什么？

WSE for AI 的殺手級(jí)應(yīng)用程序是減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間——使 AI 變得“智能”的網(wǎng)絡(luò)。WSE 可以完成其他計(jì)算機(jī)需要數(shù)周才能完成的任務(wù)，并在幾分鐘內(nèi)獲得結(jié)果。

訓(xùn)練時(shí)間大幅減少的結(jié)果意味著人工智能實(shí)驗(yàn)的答案可以在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)完成，而不是幾天。這加快了藥物發(fā)現(xiàn)，可以為癌癥的潛在治療方法建模，進(jìn)行圖像處理，并在我們的世界需要面對(duì)未來挑戰(zhàn)的數(shù)十種新的人工智能應(yīng)用中工作。

由于隨著時(shí)間的推移，未來世界的很多地方都將受到基于人工智能的技術(shù)的影響，WSE 是一個(gè)值得收藏的重要里程碑，這就是為什么博物館特別高興將這個(gè)令人驚嘆的設(shè)備的一個(gè)例子帶入其永久收藏中的原因從 2022 年 8 月 9 日起，WSE 將在 CHM 主大廳附近限時(shí)展出。請(qǐng)親自參觀并查看這個(gè)罕見的設(shè)備。你會(huì)感到驚訝。