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As CPUs ficaram mais rápidas ao longo dos anos graças a componentes cada vez menores. Mas à medida que nos aproximamos do limite de quão pequenos circuitos podem chegar, para onde vamos? Uma resposta é fazer seus chips “escala de wafer” em tamanho.
O que é “escala de wafer”?
Dispositivos de circuito integrado, como CPUs, são criados a partir de cristais de silício. Para criar um dispositivo, um enorme cristal cilíndrico de silício é cortado em wafers circulares. Vários chips são então gravados na superfície do wafer. Uma vez que os chips estão prontos, eles são testados para unidades defeituosas e sinalizados.
Os chips de trabalho são cortados do wafer e embalados como produtos finais para venda. O “rendimento” é o número de chips de trabalho que você obtém de um wafer. Qualquer parte do wafer que é desperdiçada devido a falha do chip ou porque é sucata deve ser recuperada com dinheiro feito com chips de trabalho.
Um chip em escala de wafer usa o tudo wafer para um único processador. Parece uma ótima ideia, mas houve alguns problemas sérios.
Chips em escala de wafer pareciam impossíveis
Houve algumas tentativas de “integrar” uma pastilha de silício completa ao longo dos anos. O problema é que o processo usado para fazer microchips é imperfeito. Em qualquer wafer completo, é provável que haja falhas.
Se você imprimiu várias cópias do mesmo chip em um wafer, alguns quebrados não são o fim do mundo. No entanto, uma única CPU precisa ser perfeita para funcionar. Então, se você tentasse integrar o wafer inteiro, esses defeitos inevitáveis tornariam o chip gigante inteiro inútil.
Para corrigir esse problema, os engenheiros tiveram que repensar como projetar um processador massivo destinado a funcionar como uma unidade integrada. Até agora, apenas uma empresa conseguiu fazer um processador funcional em escala de wafer e teve que resolver sérios problemas técnicos para que isso acontecesse.
Cérebros WSE-2
O Wafer-Scale Engine 2 da Cerebras Systems é um chip absolutamente enorme. Ele usa um processo de 7 nm, que é semelhante aos chips de 7 e 5 nanômetros encontrados em vários dispositivos, como smartphones, laptops e computadores de mesa.
O WSE-2 foi projetado como uma malha de núcleos que estão todos conectados uns aos outros por uma rede massiva de interconexões de alta velocidade. Essa rede de módulos de núcleo de processador pode se comunicar, mesmo que alguns núcleos estejam com defeito. O WSE é projetado de forma que haja mais núcleos do que o anunciado, de acordo com o desempenho esperado de cada wafer. Isso significa que, embora cada chip tenha falhas, elas não afetam em nada o desempenho projetado.
O WSE-2 foi projetado especificamente para acelerar aplicativos de IA que usam uma técnica de aprendizado de máquina conhecida como “aprendizado profundo”. Comparado aos supercomputadores atuais usados para tarefas de aprendizado profundo, o WSE-2 é muito mais rápido e consome menos energia.
As vantagens das CPUs em escala Wafer
CPUs de escala Wafer resolvem muitos dos problemas com o design atual de supercomputadores. Os supercomputadores são construídos a partir de muitos computadores menores e mais simples que estão conectados em rede. Ao projetar cuidadosamente as tarefas para esse tipo de projeto, é possível somar todo esse poder de computação.
No entanto, cada computador nesse cluster de supercomputadores precisa de seus próprios componentes de suporte, e aumentar a distância entre os vários pacotes individuais de CPU nessa rede apresenta muitos problemas de desempenho e limita os tipos de cargas de trabalho que podem ser executadas em tempo real.
Uma CPU em escala de wafer combina efetivamente o poder de processamento de dezenas ou centenas de computadores em um único circuito integrado, acionado por uma fonte de alimentação, todos alojados em um único chassi. Melhor ainda, você ainda pode conectar em rede vários computadores em escala de wafer para criar um supercomputador tradicional, mas exponencialmente mais rápido.
CPUs em escala de wafer para o resto de nós?
É improvável que tenhamos qualquer tipo de produto em escala de wafer para usuários regulares que não estão tentando construir um supercomputador, mas há elementos da filosofia “quanto maior melhor” evidentes também em eletrônicos de consumo.
Um ótimo exemplo é o M1 Ultra system-on-a-chip (SoC) da Apple, que são dois SoCs M1 Max conectados por uma interconexão de alta velocidade, aparecendo como um único sistema com o dobro dos recursos.
Os designs de CPU da AMD também aproveitaram os “chiplets”, que são unidades de núcleo de CPU que podem ser fabricadas independentemente e depois “coladas” usando outro tipo de interconexão de alta velocidade. Agora que os circuitos não podem mais ser menores em CPUs, chegou a hora de construí-los e talvez até mais, com projetos de circuitos 3D complexos, em vez dos circuitos 2D mais comuns que usamos hoje.
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