業(yè)界再一次出現(xiàn)對晶圓級處理器的商業(yè)嘗試

日前，在斯坦福大學(xué)舉行的IEEE Hot Chips研討會上，創(chuàng)業(yè)公司Cerebras推出了有史以來最大的芯片。按照他們的說法，這個大致是硅晶片尺寸的系統(tǒng)旨在將AI訓(xùn)練時間從幾個月縮短到幾分鐘。

這是自二十世紀(jì)八十年代Trilogy Systems任務(wù)失敗以來，業(yè)界再一次出現(xiàn)對晶圓級處理器的商業(yè)嘗試。

下面，我們來談一下有關(guān)這個芯片，你必須知道的六點：：

數(shù)據(jù)

作為有史以來最大的芯片，Cerebras的Wafer Scale Engine（WSE）自然帶有一堆最高級的。這是當(dāng)中的一部分：

尺寸：46,225平方毫米。這大約是一張信紙大小的紙張的75％，但卻是最大GPU的56倍。

晶體管：1.2萬億。Nvidia的GV100 Volta僅為21億。

處理器核心：400,000。而GV100只有5,660。

內(nèi)存：18千兆字節(jié)的片上SRAM，大約是GV100的3000倍。

內(nèi)存帶寬：每秒9 PB。據(jù)Cerebras稱，這是我們最喜歡的GPU的10,000倍。

你為什么需要這個怪物？

Cerebras在其白皮書中提出了一個非常好的案例，為什么這么大的芯片有意義。

基本上，該公司認(rèn)為，訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)和其他人工智能系統(tǒng)的需求已經(jīng)失控。該公司表示，訓(xùn)練將出現(xiàn)一種新模式——創(chuàng)建一個這樣的系統(tǒng)，那就是一旦經(jīng)過訓(xùn)練，就可以識別人或贏得Go游戲。但這在過去需要花費(fèi)數(shù)周或數(shù)月的時間，并耗費(fèi)數(shù)十萬美元的計算時間。這個成本意味著實驗的空間很小，這會扼殺新的想法和創(chuàng)新。

這家公司的答案是，全世界需要更多，更便宜的訓(xùn)練計算資源。而訓(xùn)練也需要幾分鐘而不是幾個月，為此，您需要更多內(nèi)核，更多靠近這些內(nèi)核的內(nèi)存，以及內(nèi)核之間的低延遲，高帶寬連接。

這些目標(biāo)將對AI行業(yè)中的每個人造成影響。但是Cerebras也承認(rèn)，這個想法推向了它的邏輯極端。一塊大芯片為處理器內(nèi)核和需要依賴它的內(nèi)存提供了更多的硅片面積。只有當(dāng)數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不必離開芯片上的短而密集的互連時，才能實現(xiàn)高帶寬，低延遲的連接。因此這也是他們打造這樣一個大芯片的原因。

在這400,000個內(nèi)核中有什么？

根據(jù)該公司的說法，WSE的內(nèi)核專門用于人工智能，但仍然具有可編程性，那就意味著該芯片并不會僅僅被限定在AI當(dāng)中。這就是他們所謂的稀疏線性代數(shù)（Sparse Linear Algebra：SLA）核心。這些處理單元專門用于“人工智能”工作的“張量”操作，但它們還包括一項減少工作的功能，特別是對于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。據(jù)該公司稱，深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練集中所有數(shù)據(jù)的50％至98％為zero。因此，非零數(shù)據(jù)“Sparse ”。

SLA核心通過簡單地不將任何東西乘以零來減少工作量。內(nèi)核具有內(nèi)置的數(shù)據(jù)流元素，可以根據(jù)數(shù)據(jù)觸發(fā)計算操作，因此當(dāng)數(shù)據(jù)遇到零時，不會浪費(fèi)時間。

他們是怎么做到的？

Cerebras龐大的單芯片背后的基本理念已經(jīng)存在了幾十年，但它也是不切實際的。

早在20世紀(jì)80年代，并行計算的先驅(qū) Gene Amdahl就制定了加速大型機(jī)計算的計劃——硅片大小的處理器。換句話說，就是將大部分?jǐn)?shù)據(jù)保留在處理器本身而不是將其通過電路板推送到存儲器和其他芯片。這樣的計算將更快且更節(jié)能。

借助從風(fēng)險投資家手上拿到的2.3億美金，Amdahl創(chuàng)立了Trilogy Systems，并實現(xiàn)了他的愿望。但我們不得不承認(rèn)，“晶圓級整合”的第一次商業(yè)嘗試是一場災(zāi)難，據(jù)當(dāng)時報道，它成功地將動詞“to crater”引入金融新聞詞典。

最基本的問題是芯片越大，良率越差。從邏輯上講，這應(yīng)該意味著晶圓級芯片將無利可圖，因為您的產(chǎn)品總會存在缺陷。Cerebras的解決方案是添加一定量的冗余。據(jù)EE Times稱，Swarm通信網(wǎng)絡(luò)具有冗余鏈路，讓產(chǎn)品工作時可以繞過受損核心。據(jù)透露，當(dāng)中大約有1％的核心是備用的。

Cerebras還必須解決一些關(guān)鍵的制造限制問題。例如，芯片工具設(shè)計用于將其特征定義圖案投射到相對較小的矩形上，并在晶圓上完美地反復(fù)進(jìn)行。由于在晶片上的不同位置鑄造不同圖案的成本和難度，僅此一點就會使許多系統(tǒng)不能構(gòu)建在單個晶片上。

但WSE就像一個典型的晶圓，完全由相同的芯片組成，就像你通常制造的一樣。最大的不同之處在于他們與臺積電合作開發(fā)了一種方法，用于在芯片之間的空間建立連接，這個區(qū)域稱為scribe lines。而這個空間通常留空，因為芯片沿著那些線切割。

根據(jù)Tech Crunch的說法，Cerebras還必須發(fā)明一種方法，為芯片提供15千瓦的電源和冷卻系統(tǒng)，并創(chuàng)造新的連接器，以便在加熱時處理它擴(kuò)展的方式。

這是制作晶圓級計算機(jī)的唯一方法嗎？

當(dāng)然不是。例如，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校和 Illinois Urbana-Champaign的團(tuán)隊正在研究一種類似的系統(tǒng)，該系統(tǒng)也構(gòu)建了裸處理器并進(jìn)行了測試，并將它們安裝在已經(jīng)圖案化所需的密集互連網(wǎng)絡(luò)的硅片上。這種稱為硅互連結(jié)構(gòu)的概念允許這些小芯片緊密相連（相隔100微米），這就使得芯片間通信接近單個芯片的特性。

“這是我們一直在進(jìn)行驗證的研究”，伊利諾伊大學(xué)的 Rakesh Kumar說。

Kumar認(rèn)為硅互連結(jié)構(gòu)方法與Cerebras的單片晶圓級方案相比具有一些優(yōu)勢。首先，它允許設(shè)計師混合和匹配技術(shù)，并為每個技術(shù)使用最佳制造工藝。單片方法意味著為最關(guān)鍵的子系統(tǒng)邏輯選擇最佳的制程，并將其用于存儲器和其他原件，即使不適合它們。

Kumar建議，在這種方法中，Cerebras可以限制它可以放在處理器上的內(nèi)存量?！八麄冊诰A上有18千兆位的SRAM。也許這對今天的某些型號來說已經(jīng)足夠了，但明天和后天的型號呢？“

什么時候出來？

據(jù)“財富”雜志報道，Cerebras9月份將會向客戶發(fā)貨首批系統(tǒng)。據(jù)EE Times稱，部分系統(tǒng)已經(jīng)收到原型。該公司計劃在11月的超級計算大會上公布完整系統(tǒng)的結(jié)果。