初创企业Cerebras System推出世界上最大的计算芯片
在我们传统的印象里，芯片的大小通常跟我们的手指甲盖差不多。但不知道你有没有好奇过，世界上最大的芯片到底可以有多大呢？
8月19号，著名的科技媒体Venture Beat就报道了一项来自硅谷的初创公司Cerebras的最新成果。这家成立仅仅4年的公司，最近制造出了一款被叫做“晶圆级发动机”的，迄今为止全世界最大的计算芯片。
这款芯片有多大呢？它是一个边长22厘米，面积达到46000平方毫米的正方形硅片，足足跟一本16开的书差不多大。相比之下今年5月，英伟达发布的全世界最大的GPU芯片A100——它的面积只有826平方毫米，还不到这款芯片的五十分之一。
@而且，这款芯片不仅仅是个头大，在很多性能参数上也是强得惊人。比如，在计算内核的数量上，今天一块芯片上一般最多也就是几千个计算内核，而这款芯片拥有40万个计算内核。再比如晶体管的数量，这款芯片也达到了惊人的1.2万亿个，是现在常见计算芯片的100多倍。
可以说，这块芯片都属于芯片家族里的“巨无霸”选手。
听到这里你可能会好奇了：这种跟人脸差不多大的“巨无霸”级芯片，肯定是不能用在手机和笔记本电脑上了，那它有什么应用场景么？
Cerebras这家公司表示，它未来瞄准的应用场景，主要是超级计算机和大型云计算中心。目前，这家公司已经和美国著名的劳伦斯利弗莫尔国家实验室展开合作。这块儿“巨无霸”芯片，将首先被集成到位于这所实验室里，目前全世界性能排名第14的超级计算机“拉森”上。
听到这里不知道你会不会有一个问题，那就是：单纯做个超大号的芯片，这个思路也太简单粗暴了，感觉不符合芯片技术平常给我们的那种高精尖的印象啊。而且要知道，超级计算机以前不都是把上万块传统芯片并联起来用嘛，效果好像也不错啊，为什么还要开发这种“巨无霸”芯片呢？
其实，事情的关键就在芯片之间相互通信的速度上，听我来慢慢给你解释：
首先我们要知道，今天不论是超级计算机还是云计算中心，都是由几十万，甚至上百万颗芯片所组成的复杂系统。系统整体的运算性能，早都已经不仅仅取决于单颗芯片本身的性能了。另外一项非常重要的因素，这些年正在越来越受到重视，那就是芯片之间相互通信的速度。这就像是一家公司的运行效率，不仅取决于每个员工的个人能力，也取决于员工之间回复消息的速度一样。
为什么芯片间的通信速度越来越重要呢？这是因为，今天我们所面临的很多真实的应用场景，比如训练人工智能算法、科研工作中的物理仿真、汽车的自动驾驶，背后所需的计算量都在变得越来越大，都需要依靠越来越多的芯片一起合作完成。比如，全球性能排名第一的超级计算机“顶点（Summit）”就包含了240万颗IBM提供的计算芯片。
如此大量的芯片，在合作执行计算任务的过程中，相互之间就需要传输大量的数据。所以，提高芯片之间的通信速度，能够非常明显地提升超级计算机的整体性能。这就如同，如果公司所有的同事之间都能做到秒回微信，公司整体的运转效率会提升一样。
那如何提高芯片之间的通信速度呢？
传统的思路，是优化芯片之间的通信接口。比如谷歌云服务中使用的AI芯片TPU，就专门在每块芯片上都专门设计了4个用来做芯片之间通信的接口。但是这种思路有一个天花板，那就是以如今的接口技术，芯片之间的通信速度达到每秒钟几百甚至上千GB就已经接近极限了，再要提升，技术上可能会非常困难。
这里要额外提一句，每秒钟几百GB的速度，听起来还是挺快的，但是对于云计算中心而言，依然会成为制约整个系统运算性能的关键因素。那还有什么别的办法继续提高数据传输速度么？诶，这就要说到Cerebras这家公司的“巨无霸”芯片了。
它的思路是，干脆把以前很多块小芯片合在一起，做成一块儿大芯片。这样原来很多需要芯片之间相互通信的任务，就可以在芯片内部进行数据传输了。而要知道，芯片在自己内部传输数据的速度，是远远高于芯片之间通信的速度的。这就如同，我们左脑跟右脑相互沟通的速度，肯定比我们跟别人说话沟通的速度要快。
事实上，按照这家公司披露的数据，这块芯片内部通信网络的整体速度可以达到100PB每秒，是目前最快的芯片之间的通信接口速度的10万倍。如果未来超级计算机都使用这种“巨无霸”芯片，那就能够很好地解决芯片间通信速度——这个制约运算速度的瓶颈对整体性能的制约影响。
那既然把计算芯片做大的好处这么多，为什么以前没有人做呢？——其实，还真不是以前没人做，而是这件事儿太难了，以前还没有人能做到。为什么这么说呢？问题的关键就在“可靠性”三个字上。
你可能也知道，所有的芯片都是在一块圆形的硅片上，经过非常精细的半导体工艺加工而成的。在加工的过程中，难免会有一些加工缺陷和误差，导致硅片上某些局部是失效的。
在过去，一块硅片上通常会切割出几百块小芯片，刚刚的这些局部工艺误差，顶多也就影响其中一部分芯片。我们只需要把剩下一部分完好无损的芯片挑出来，就可以到市场上销售了。
听到这里你可能已经明白了，既然加工过程中难免出现一些工艺缺陷，那一块芯片的面积越大，上面出现缺陷的概率也就越大，所以想要成功把它制造出来的难度也就越高。像这次发布的“巨无霸”芯片，面积是过去芯片的50多倍，对于工艺可靠性的要求，理论上就提高了50多个量级。
这么高的可靠性要求，在过去是很难做到的。这也就是在过去很少有这种超大型芯片的原因。那这家仅仅创业4年的公司是怎么做到的呢？答案就是，它对芯片的结构进行了可靠性优化设计。比如，在芯片内部设计一些冗余和备份的结构，让硅片上即便出现一些加工缺陷，也不会影响芯片整体的正常使用。事实上，这种对芯片进行可靠性优化设计的技术，恰恰就是这家初创公司最核心的技术创新。
听到这里有的同学可能还会想，既然可以通过可靠性设计把芯片变大，未来我们能不能做个更大号的芯片呢？——很可惜，答案是不能，或者说至少短时间内不能。
因为芯片加工的原材料硅晶圆，是有固定尺寸规格的。目前工业界最大号的硅晶圆的直径是12英寸。你有兴趣的话可以自己算一下，在一个直径12英寸的圆形里面，划出一块最大的正方形，面积可以有多大？——你会发现，答案恰好就是大概46000平方毫米，也就是这块儿“巨无霸”芯片的面积。
换句话说，这块芯片已经几乎是当前半导体工艺能够加工出来最大的芯片了。我们未来如果想提高这种巨型芯片的性能，主要的方向还是继续优化工艺和可靠性设计方法。事实上，这也是Cerebras目前披露的第二代“晶圆级发动机”的主要思路。
通过这项硬科技进展，我们可以看出来，芯片迄今为止依然是一个非常活跃的领域。在芯片的设计上，还有很多类似“巨型芯片”这样脑洞大开的思路可以尝试。这同时，也意味着我们国家的芯片产业，除了加速追赶世界第一梯队之外，也依然存在着很多换道超车的可能性。
