微芯片时代终结在即，数据中心迎来晶圆级变革

我们正处于科技飞速发展的时代，微芯片作为现代科技的核心，曾引领了一场意义深远的工业革命。如今，种种迹象表明，微芯片的时代即将结束，一个全新的时代正悄然来临。

英伟达公司无疑是微芯片时代的杰出代表。其市值约达 5 万亿美元，成为全球最具价值的公司。英伟达创始人兼首席执行官黄仁勋上周在华盛顿举行的公司人工智能大会上发表了精彩演讲，详细阐述了英伟达芯片取得的显著进步。他特别感谢特朗普总统通过能源政策将芯片制造从亚洲带回美国，这些政策极大地促进了美国本土人工智能微芯片的生产。

英伟达最新的芯片大多采用塑料封装，外形酷似蚂蚁或甲虫，腿部由铜线构成。每颗芯片包含多达 2080 亿个晶体管开关，售价约为 3 万美元。一项革命性的突破在于，这些数据中心芯片不再像笔记本电脑的中央处理器那样独立运行。在数据中心中，成千上万甚至数百万颗芯片相互连接，共同构成一台 “超大规模” 计算机，其集体思维被称为人工智能（AI）。位于田纳西州孟菲斯的 Colossus 2 是全球顶级的数据中心，也是埃隆・马斯克 xAI 的核心。作为 Grok 和自动驾驶汽车的源泉，Colossus 2 将大约一百万颗英伟达芯片集成到一台庞大的计算机中。

尽管 “芯片” 在这个时代具有巨大的吸引力，新设备的制造商甚至将其潜在的继任者称为 “巨型芯片” 或 “超级芯片”，但事实上，这种新设备与微芯片截然不同。它没有独立的处理单元或存储器，也没有用电线 “引脚” 封装在塑料外壳中。

美国政府高度重视芯片产业，将其视为至关重要的战略产业。2022 年的《芯片法案》授权拨款超过 2000 亿美元，用于支持美国本土的芯片制造。从芯片制造设备巨头 ASML 的总部所在地荷兰，到台湾及其实力雄厚的台积电，微芯片都在深刻影响着美国的对外政策。台积电占据了尖端芯片市场 95% 以上的份额，这些芯片广泛应用于手机和其他先进设备。

然而，美国的产业政策在一定程度上阻碍了自身的发展。通过限制中国芯片市场（中国拥有绝大多数半导体工程师），美国的产业政策阻碍了美国晶圆制造设备（芯片制造的关键设备）生产商的发展，但这并未减缓中国的崛起。自 2020 年前后这些保护主义政策出台以来，中国半导体资本设备产量每年增长 30% 至 40%，而美国同期年增长率约为 10%。这一变化与美国自 2019 年 5 月起对中国电信巨头华为实施的禁令的影响如出一辙。该禁令导致 2021 年至 2024 年间美国公司对华为的销售额减少了 330 亿美元，而华为的全球市场份额却有所扩大。

产业政策和保护主义往往偏袒那些面临淘汰的现有产业。《芯片法案》及其相关的禁令和关税，与路易斯安那州对汽油中添加乙醇或种植甜菜的补贴，以及在如今莱斯大学开发的新技术能够从电子垃圾中高效提取稀土的情况下，对稀土开采的补贴并无本质区别。所有旨在挽救美国微芯片生产的努力，都在微芯片时代即将终结的种种迹象中显得有些无力。

关键机器的精妙物理特性清晰地展现了微芯片时代的局限性。其中，EUV 机器是一个典型代表。最新版本由 ASML 制造，可进行高数值孔径极紫外光刻。如果你不是中国人，你可以花大约 3.8 亿美元购买一台 EUV 机器。目前为止，大约售出了 44 台。它装在大约 250 个箱子里，需要数百名专业工程师花费大约六个月的时间才能安装完毕。IBM 的研究总监达里奥・吉尔称其为 “世界上最复杂的机器”。

EUV 光刻是一种 “相机”，它通过带有芯片设计的石英铬光掩模，将光图案投射到 12 英寸硅晶片表面的 “薄膜” 或 “光刻胶” 上。EUV 机器中一切运行的根本在于物理定律和工程约束的融合，而这最终归结为光罩 EUV。光罩决定了芯片的尺寸，而芯片尺寸又决定了人工智能计算的粒度。因此，光罩 EUV 决定了执行特定人工智能任务需要连接多少个图形处理单元（主要来自英伟达）。超过某个临界点 —— 大约 800 平方毫米，或 1.25 平方英寸 —— 光速定律便会限制更大的设计。

从英伟达定义的超大规模数据中心日益增长的复杂性中，我们可以清晰地看到光罩限制的影响。其结果是更小、更密集的芯片和 “芯片组”，每个芯片组都有其自身复杂的封装，这导致最终需要对流程进行更彻底的重新集成，才能获得一致的结果。计算首先必须分散到多个芯片上，然后再重新编译。其结果是芯片之间的通信开销更大，需要更复杂的封装、更多的线缆和光纤链路。

不可避免的光罩尺寸限制导致芯片时代的终结。接下来，晶圆级集成模型将崭露头角，它将彻底绕过芯片。马斯克先生在特斯拉时期就率先提出了这一概念，当时他启动了现已解散的 Dojo 计算机项目；如今，DensityAI 公司重新拾起了这项技术。位于加州帕洛阿尔托的 Cerebras 公司在其 WSE - 3 晶圆级引擎中应用了这一概念。WSE - 3 拥有约 4 万亿个晶体管 —— 是英伟达 Blackwell 芯片的 14 倍 —— 内存带宽更是后者的 7000 倍。Cerebras 将内存直接刻录在晶圆上，而不是像传统方法那样将其放置在遥远的芯片和芯片组等高带宽内存网络中。该公司将晶圆级引擎堆叠了 16 倍，从而将一个数据中心缩小到一个拥有 64 万亿个晶体管的小盒子里。

同样致力于打造晶圆级未来工艺的还有 David Lam，他是全球第三大晶圆制造设备公司林氏研究公司 Lam Research Corp. 的创始人。2010 年，林先生创立了 Multibeam 公司，该公司研发出一种可进行多列电子束光刻的设备。这项技术使制造商能够突破光罩尺寸的限制。Multibeam 公司已经展示了刻蚀 8 英寸晶圆的能力。后微芯片时代即将到来，数据中心将集成在晶圆级处理器的盒子里，科技发展的新篇章即将开启。