台積電董事長劉德音親述：半導體產業將迎來Mead-Conway時刻

近日台積電董事長Mark Liu（劉德音）在IEEE刊登了一篇長文，標題為《How We'll Reach a 1 Trillion Transistor GPU》。

身為全球半導體產業巨頭，Mark Liu講述了AI產業發展背後的晶片故事，視角獨特，非常值得一讀。

下面我來跟大家解讀這篇文章。報告連結放在文末，歡迎有興趣的朋友去看原文。

（1）10年內將出現萬億電晶體整合的GPU

從1997年IBM Deep Blue擊敗西洋棋大師Garry Kasparov算起，到ChatGPT、Sora的誕生，已經過了整整27年。

這27年中，人工智慧的能力得到了極大的提升，這背後有三大驅動力：演算法架構的創新、海量資料的累積、半導體技術的革命。

可以說，半導體產業的技術革新，是人工智慧發展的重要驅動力。

IBM的Deep Blue採用的是0.6微米和0.35微米的混合晶片製造流程。

贏得ImageNet競賽的神經網路模型，背後是基於40奈米製程的晶片製程。

在圍棋界獨霸天下的AlphaGo，採用的是28nm的製程。

轟動全球的ChatGPT，則是基於4nm製程。

如果AI革命以現在的速度發展下去，10年內我們就需要一個萬億電晶體的GPU。

而要知道，英偉達最新發表的Blackwell架構的B200晶片，也只有2,080億個電晶體。也就是說，10年內GPU中電晶體的整合數量將有10倍的提升空間。

半導體技術進步的驅動力包括：新材料、光刻技術發展、新型電晶體、先進封裝製程。上圖中把這四種類型的驅動因素分別呈現，一目了然。

（2）光刻製程達到瓶頸，3D封裝成為突破口

自從積體電路發明以來，半導體技術一直致力於縮小尺寸，從而能夠將更多的電晶體塞進一個拇指大小的晶片中。

現如今，隨著2.5D、3D封裝被廣泛應用，整合度提升到了新的水平。

台積電正在將許多晶片組合成為一個緊密整合的系統。這是半導體整合領域正在發生的典範轉移。

在AI時代，電晶體的整合度變得愈發重要。這是因為光刻機在加工晶片的過程中，有一個非常重要的物理限制，就是不能製造超過800 mm²尺寸的積體電路。

更具體來說，這個數字是858 mm²（26 mm ×33 mm），可以理解為光刻機可處理的晶片極限尺寸，在業界被稱為Reticle Limit。

因此，人們無法透過單純做大晶片尺寸來提升性能。

現如今，我們可以透過將多個晶片連接到一塊更大的中介層上（interposer），從而突破光刻機Reticle Limit的性能瓶頸，在單一系統中整合更多的電晶體。

例如，台積電著名的CoWoS技術（Chip-on-Wafer-on-Substrate）可以容納多達6個遮罩板區域的運算晶片，以及十幾個HBM晶片。

（3）CoWoS先進封裝在Nvidia GPU中的應用

台積電的CoWoS技術已被廣泛應用於Nvidia的GPU中，包含Ampere架構及Hopper架構的GPU。

它們都是由一塊GPU晶片和6個HBM共同整合在矽中介層上，計算晶片的尺寸大約是目前晶片製造製程允許的最大尺寸。

Ampere架構的GPU採用7nm工藝，整合了540億個電晶體。

Hopper架構的GPU採用4nm工藝，整合了800億個電晶體。

製程製程的提升使得我們能夠在相同的表面積上多封裝50%的電晶體數量，從而有效支持ChatGPT這類大語言模型的訓練及推理。

（4）HBM、Bumpless Bonding：高效能GPU的基石

另一項關鍵的半導體技術是HBM 。

HBM在控制邏輯IC之上，垂直堆疊了若干DRAM晶片，並採用TSV （矽通孔）進行垂直互聯，讓訊號能夠穿過每個晶片的焊錫凸點，從而形成儲存晶片之間的連接。

這種將晶片堆疊在一起形成整合系統的能力，在台積電被稱為SoIC（System-on-Integrated Chips）。

現如今，高性能GPU基本上離不開HBM。

根據台積電的最新技術3D SoIC，可以將現在的HBM方案進行「無凸塊化」處理（bumpless bonding）。

新版HBM架構採用銅對銅的連接，以混合鍵結技術堆疊12層晶片，在低溫下黏合在一塊較大的邏輯晶片之上，總厚度僅600微米。

新版HBM架構能夠提供更密集的垂直互聯，銅對銅連接的密度顯著高於焊錫凸塊所提供的整合密度。

（5）矽光：未來半導體產業最重要的技術之一

對於大語言模型而言，有高性能晶片還不夠。為了達到極高的運算速度，我們還需要提升通訊速率。

現如今，光學互聯已被廣泛應用於資料中心裡的伺服器機架。不久之後，我們將需要透過基於矽光的光學接口，來將GPU和CPU封裝在一起。

這樣一來，數百台伺服器可以對外表現為一個具備統一記憶體的巨型GPU。

隨著AI應用需求的推動，矽光將成為未來半導體產業最重要的技術之一。

（6）CoW oS先進封裝在AMD MI300A中的應用

AMD的MI300A加速處理單元不只運用了CoWoS，還用到了台積電的SoIC技術。

MI300A同時包含了GPU和CPU核心，其中GPU負責處理AI任務所需的密集矩陣乘法運算，而CPU負責控制整個系統的運算，HBM則統一為二者服務。

9個基於5nm製程的運算晶片，堆疊在4個基於6nm製程的基礎晶片上，後者主要負責快取和IO通訊。處理器的運算部分包含了1500億個電晶體。

當下，單塊GPU晶片已經達到了光刻製程的製造極限（reticle limit），電晶體數量約1000億個。為了繼續增加電晶體整合度，勢必需要將多個chiplet透過2.5D或3D封裝的方式來整合互聯，執行運算。

幸運的是，業界已經能夠快速縮小chiplet之間垂直互聯的間距，從而提升連接密度，並且還有非常充足的提升空間。

我們認為透過垂直互聯技術的發展，電晶體的整合密度可以至少提成一個數量級，使得多晶片GPU內整合超過1兆個電晶體。

（7）EEP仍將維持每2年翻3倍的成長趨勢

為了有效評估半導體技術創新對系統性能的影響，業界有一個指標叫做EEP。

EEP的全名是Energy-Efficient Performance，即能源效率性能，是能源效率與性能的綜合衡量標準。

過去15年來，半導體產業的EEP呈現每2年增加3倍的趨勢。我們相信這個趨勢會持續保持下去，背後得益於新材料的應用、先進封裝製程、EUV微影技術的發展、電路及系統架構設計的最佳化等等。

（8）3D積體電路將迎來Mead-Conway時刻

1978年，加州理工大學教授Carver Mead以及Xero PARC研究中心的Lynn Conway發明了一種透過電腦輔助設計積體電路的方法。

它們透過一組設計規則，讓工程師能夠輕鬆設計超大規模的積體電路，而無需了解太多的製程細節。

當下3D晶片設計領域也需要同樣的能力。現在一位3D晶片設計師需要了解的知識非常多，包括系統架構設計、軟硬體優化、3D封裝技術等等。

正如我們在1978年所做的一樣，我們再次需要一種通用語言，用電腦能夠理解的方式來描述3D晶片設計技術，讓設計人員可以在無需考慮底層技術的同時，自由地設計3D晶片。

類似的技術正在陸續誕生，例如一項名為3Dblox的開源標準正在被越來越多的半導體技術公司和EDA公司所採用。

（9）隧道已至終點，面向無限可能的未來

過去50年，半導體技術的發展就像是走進了一條隧道，有著明確的目標和清晰的路徑。所有人的目標只有一個：shrink the transistor。

現在，我們已經走到了隧道盡頭。從現在開始，半導體技術的發展正式進入深水區，在隧道外有著各式各樣的可能性，等待人們去探索。（Alpha Engineer）

原文連結：https://spectrum.ieee.org/trillion-transistor-gpu