Чипы получают этажи, а ИИ приобретает свободу: что стоит за новым технологическим поворотом

В индустрии искусственного интеллекта может появиться новая отправная точка, связанная не с алгоритмами, а с "железом". Группа американских инженеров представила чип, который радикально меняет саму логику передачи данных внутри вычислительных систем. Его архитектура обещает снять одно из главных ограничений, сдерживающих развитие ИИ. Об этом сообщает ScienceDaily.

Чип, который растёт вверх

Современные процессоры по-прежнему остаются в основном "плоскими": вычислительные блоки и память располагаются в одной плоскости, из-за чего данные вынуждены двигаться по длинным и перегруженным маршрутам. Новый прототип, созданный учёными из Стэнфорда, MIT, Университета Пенсильвании и Университета Карнеги — Меллона, предлагает принципиально иной подход. Его структура напоминает многоэтажное здание, где слои памяти и логики размещены вертикально и соединены плотной сетью "лифтов" для данных.

Такой принцип уже начинает менять электронику на самых разных уровнях — от серверных решений до потребительских устройств, где растёт интерес к сверхплотной компоновке компонентов и новым схемам взаимодействия элементов, как это происходит, например, в разработках, где технологии точных сенсоров позволяют радикально повысить скорость отклика и энергоэффективность.

"Это открывает дверь в новую эпоху производства и инноваций в микроэлектронике", — заявил профессор электротехники и компьютерных наук Стэнфордского университета Субхасиш Митра.

В ходе аппаратных испытаний и моделирования новая 3D-архитектура показала преимущество над традиционными 2D-чипами примерно на порядок. Ключевым фактором стала не столько частота, сколько резкое сокращение расстояний, которые проходят данные внутри кристалла.

Почему ИИ упирается в "стену памяти"

Современные ИИ-модели постоянно перегоняют огромные объёмы данных между памятью и вычислительными узлами. На обычных чипах вычисления всё чаще простаивают в ожидании данных — инженеры называют это "memory wall", или стеной памяти. Ранее проблему сглаживали за счёт уменьшения транзисторов и роста их плотности, но физические пределы миниатюризации уже дают о себе знать.

Вертикальная интеграция памяти и логики позволяет обойти оба ограничения одновременно. Чем ближе память расположена к вычислительным блокам, тем выше реальная производительность и ниже энергопотери. Аналогичные принципы всё активнее проникают и в другие области высоких технологий — от связи до радиолокации, где компактные многослойные решения уже меняют представление о возможностях чипов, как это происходит в проектах, связанных с фотонными радарами на кристалле.

По словам разработчиков, плотность вертикальных соединений в новом чипе стала рекордной для подобных систем, что напрямую сказалось на пропускной способности и устойчивости к перегреву.

Производство и практические перспективы

Отдельное значение исследователи придают тому, что чип был изготовлен не в лабораторных условиях, а на коммерческом предприятии SkyWater Technology в Миннесоте. Использован метод монолитной 3D-интеграции, при котором каждый новый слой формируется поверх предыдущего при пониженных температурах, не повреждающих уже созданную электронику.

"Это показывает, что подобные архитектуры можно не только придумать, но и выпускать серийно внутри страны", — отметил вице-президент SkyWater Technology Марк Нельсон.

Первые тесты дали четырёхкратный прирост производительности по сравнению с аналогичными 2D-решениями. Моделирование указывает, что при увеличении числа слоёв ускорение может вырасти до двенадцати раз на реальных ИИ-нагрузках, включая задачи на базе модели LLaMA.

В долгосрочной перспективе архитектура обещает улучшение показателя энергоэффективности и задержек в 100-1000 раз. Это особенно важно для дата-центров и специализированных ИИ-ускорителей, где энергопотребление становится критическим ограничением.

Разработчики подчёркивают, что переход к монолитным 3D-чипам потребует новой волны инженерных компетенций и может запустить следующий этап эволюции полупроводниковой отрасли в США — не только быстрее, но и устойчивее к технологическим пределам плоских схем.