Амбициозен стартъп за чипове, който е прекарал повече от седем години в тихи опити да препроектира архитектурата на компютърната памет, току-що излезе от режим на секретност и вярва, че неговият нов подход може да помогне за облекчаване на глобалния недостиг на чипове памет — при условие че успее да произведе технологията си в мащаб.
Kepler Computing, базиран в Сан Хосе, Калифорния стартъп, основан през 2018 г. от екип от физици и компютърни специалисти, заявява, че е разработил нова архитектура за памет с висока пропускателна способност (HBM), която директно адресира някои от тесните места в доставките на чипове, ограничаващи пазара на изчислителна техника.
Докато производителите на чипове обикновено разчитат на скъпа екстремна ултравиолетова литография (EUV), за да свият транзисторите върху чипа, като по този начин побират повече технология в същото пространство, Kepler твърди, че нейният подход за „3D подреждане“ и патентован нов материал ѝ позволяват да увеличи плътността, без изобщо да разчита на EUV — и може да работи с съществуващи фабрики за производство на полупроводници.
Kepler казва, че е постигнала подобен напредък и за бързата кеш памет, използвана обикновено в CPU, GPU и XPU. Тази така наречена SRAM се намира в ядрото на кристала на чипа, за да намали времето за пренос на данни. HBM, за разлика от това, използва стекове от DRAM, която е отделен компонент на паметта в чиповете.
Компанията е събрала 468 милиона долара финансиране през последните няколко години от известни инвеститори. Това включва GlobalFoundries, Intel Capital, AMD Ventures, британския инвестиционен фонд Baillie Gifford и Бил Гейтс чрез неговия частен фонд Gates Frontier. През юли Министерството на търговията на САЩ се ангажира да предостави на Kepler до 245 милиона долара за „разработване в САЩ на нов клас високопроизводителна AI технология за памет, базирана на иновативни 3D и фероелектрични технологии“.
Засега голяма част от тестовете на Kepler се провеждат в Сингапур, където GlobalFoundries — производствен партньор и инвеститор с 50 милиона долара — има съоръжение. През последните две години Kepler изгражда това, което нарича „мини фабрики“, където произвежда своите чипове памет съвместно с 28-нанометровите чипове на GlobalFoundries. (Тя също така провежда тестове в съоръженията на GlobalFoundries в Бърлингтън, Върмонт.)
Kepler и нейните инвеститори казват, че новият подход на стартъпа за изграждане на чипове памет не би могъл да дойде в по-подходящ момент. Глобалният недостиг на чипове памет потвърди отново поне две реалности за пазара: изграждането на нови фабрики е изключително скъпо и трудоемко, а търсенето на определени видове памет има тенденция да бъде циклично. В свят, движен от центровете за данни и полудял по изкуствения интелект, HBM се превърна в паметта на деня.
Някои от водещите световни производители на памет, включително SK Hynix и Micron, се надпреварват да изграждат фабрики за милиарди долари, за да отговорят на търсенето, залагайки, че дори до момента, в който тези съоръжения започнат да функционират, индустрията все още ще търси памет с висока пропускателна способност.
„Дълго време нашето мислене беше, че първо ще работим върху SRAM, а след това ще продължим с DRAM и HBM“, казва Дебо Олаосебикан, съосновател и главен изпълнителен директор на Kepler Computing. „Но със стартирането на ChatGPT [през 2022 г.] и експлозията в търсенето на алтернатива на HBM, започнахме да работим по нашата пътна карта за HBM. Сега произвеждаме SRAM и HBM паралелно.“
„Не започнахме с мисълта, че това ще бъде заместител на DRAM или заместител на SRAM“, казва Срини Анант, управляващ директор в Intel Capital. „Предположихме, че пазарът ще диктува това, и сега виждате търсене и за двете.“
Заобикаляйки ултравиолетовата литография, Kepler е един от малкото технологични стартъпи, работещи за избягване на едно от основните тесни места в производството на полупроводници. Стартъпът твърди, че може да произвежда SRAM, която постига същата плътност като 2-нанометровите или 3-нанометровите чипове, без да се налага да инвестира в EUV.
„Подходът на Kepler е точно в целта на нашата стратегия“, казва Ед Касте, старши вицепрезидент на CMOS бизнеса в GlobalFoundries. „Това е нова система от материали с потенциал за мащабиране през няколко поколения, без да се налага да се изграждат изцяло нови системи във фабриката или да се инвестира в много скъпо оборудване за литография.“
Въздействие на материалите
Основното послание на Kepler е, че пазарът за ускорени изчислителни системи не трябва да чака изграждането на съвсем нови фабрики за памет, за да отговори на търсенето. Вместо това новите подходи за изграждане на памет в рамките на съществуващите фабрики могат да увеличат предлагането.
Техният подход е двоен. По отношение на подобряването на HBM, Kepler казва, че е разработила нова 3D производственa техника, която побира повече чипове памет в рамките на фиксирана площ. По този начин основното изчислително ядро може да се разположи по-близо до паметта, така че преносът на данни между двете използва по-малко енергия. Крайната им цел е да местят данни в HBM с количество енергия, сравнимо с това при SRAM, като същевременно запазят големия капацитет на HBM.
Kepler също така казва, че е подобрила плътността на SRAM чрез използване на фероелектрици, които могат да четат и записват данни при по-ниски напрежения от механизмите, обикновено използвани за обработка и съхранение на данни в полупроводниците. Стартъпът постига това чрез разработване на нов композитен материал с ниско напрежение, който работи с този фероелектричен подход.
Саси Манипатруни, съосновател и главен технологичен директор на Kepler, казва, че екипът на Kepler е преминал през 35 итерации на композити, преди да стигне до клас материали, за които е сметнал, че ще направят чиповете памет по-лесни и по-евтини за производство.
„След като намерихме начин да разрешим физичния проблем — що се отнася до физическите ограничения за HBM — стигнахме до иновация в материалите, която помага за количеството памет, което можете да имате между чиповете“, казва той.
В ранните си разработки с GlobalFoundries Kepler казва, че е успяла да преобразува фабрика във фабрика от „следващо поколение“ само за осем месеца, в сравнение с обичайния 24-месечен срок.
„Нашата цел е да вземем вече изградените фабрики и архитектури и да ги тласнем до границите на физиката“, казва Олаосебикан.
В основата си Kepler залага на това, че всички допълнителни разходи, произтичащи от нови материали или преоборудване на съществуващи фабрики, далеч ще се компенсират спрямо 20 до 40 милиарда долара, които струва изграждането на нови фабрики и оборудването им с техника за стотици милиони долари.
В очакване на мащабиране
Kepler Computing все още има дълъг път да измине, преди да достигне пълномащабно производство — под разбиране, че изобщо стигне дотам. До момента компанията е тествала своята технология върху около 2000 силициеви пластини. Стартъпът заявява, че планира да достави първите си мостри от HBM чипове по-късно тази година, да увеличи производството в Сингапур през следващата година и да започне производство на чипове в САЩ през 2028 г.
Касте, ръководителят от GlobalFoundries, казва, че е уверен, че „фундаменталните пробиви вече са факт. Това, което остава, е постигането на добри резултати при хиляди пластини и милиони устройства.“
Той посочва, че едно от предизвикателствата при материална система като тази, използвана от Kepler, е съдържанието на желязо в нейния композит. „Желязото е труден за управление замърсител при въвеждане в производствено съоръжение. Затова решението на Kepler трябва да работи върху изолирано оборудване или да бъде напълно капсулирано, така че да не може да излезе извън контрол“, казва той.
„Майсторството се състои в това този материал да се поддържа наистина добре изолиран в хода на целия ни производствен процес“, казва Касте.
Олаосебикан не потвърждава конкретните елементи от композитния материал на компанията. „Това, което мога да кажа, е, че използваме малък брой материали и някои от тях не са от тези, които обикновено се намират в масовите сегнетоелектрици“, казва той.
Kepler Computing не е единственият стартъп, който се опитва да преобърне полупроводниковата индустрия. В края на миналата година добре финансираният стартъп Substrate също предизвика широк отзвук с новия си подход към литографията, който използва наночастици за ецване на детайли върху съвременни чипове. Някои индустриални анализатори останаха скептични към амбициите на стартъпа, отбелязвайки, че за Substrate би било изключително трудно да произведе голям брой чипове, „които да отговарят на изключително строги спецификации, навреме и в рамките на бюджета“, както съобщава Bloomberg.
Мащабирането е често срещано предизвикателство при опити за иновации в производството на полупроводници, независимо дали с нови процеси, материали или комбинация от двете. „Въпросът е как да се преодолеят всички ограничения, свързани със замърсяването, различните материали и различното оборудване, по такъв начин, че получената иновация да може да се използва в голям мащаб и да оправдава разходите“, казва Остин Лайънс, анализатор на чипове в Creative Strategies, който не е бил официално информиран за иновацията на Kepler.
Доказването на нов метод за памет е едно нещо; посрещането на историческото търсене за нея ще бъде съвсем друго.“