Μετατρέποντας Εβδομάδες σε Ώρες – Πώς η Τεχνητή Νοημοσύνη Ήδη Ανατρέπει τη Μηχανική των Μικροτσίπ

Η σύγχρονη τεχνολογική εποχή ευημερεί με την αποδοτική χρήση μικροτσίπ. Η παγκόσμια αγορά μικροτσίπ αναμένεται να αυξηθεί από περίπου US$21.56 δισεκατομμύρια το 2022 σε σχεδόν US$47 δισεκατομμύρια μέχρι το 2030, με ετήσιο σύνθετο ρυθμό ανάπτυξης πάνω από 10%.

Ο λόγος που τα μικροτσίπ αναπτύσσονται τόσο γρήγορα είναι ότι τροφοδοτούν όλη την ηλεκτρονική που βλέπουμε γύρω μας. Και όταν λέμε ηλεκτρονική, δεν περιλαμβάνει μόνο υπολογιστές, αλλά και smartphones, διακόπτες δικτύου, οικιακές συσκευές, εξαρτήματα αυτοκινήτων και αεροσκαφών, τηλεοράσεις, ενισχυτές, συσκευές IoT και πολυάριθμα άλλα ηλεκτρονικά συστήματα.

Επίσης γνωστό ως chip, computer chip ή integrated circuit, ένα μικροτσίπ είναι μια μονάδα ενσωματωμένων κυκλωμάτων που κατασκευάζεται σε μικροσκοπική κλίμακα χρησιμοποιώντας ημιαγωγικό υλικό, όπως πυρίτιο ή γερμάνιο. Τα περίπλοκα σχεδιασμένα μικροτσίπ είναι τόσο λεπτομερή που συνήθως περιλαμβάνουν συγκεκριμένους τύπους εξαρτημάτων, όπως τρανζίστορ, αντιστάτες, πυκνωτές και διόδους, σε εκατομμύρια ή ακόμη και δισεκατομμύρια.

Αυτά είναι εξαιρετικά μικρά εξαρτήματα που μετρώνται σε νανόμετρα. Η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού μικροτσίπ λειτουργεί σε τόσο λεπτό επίπεδο που το 2021 η IBM μπόρεσε να παρουσιάσει ένα μικροτσίπ βασισμένο στην τεχνολογία 2nm, μικρότερο από το πλάτος ενός νήματος ανθρώπινου DNA.

Η γρήγορη πρόοδος στην τεχνολογία μικροτσίπ έχει διατηρήσει τον ορίζοντά της συνεχώς επεκτεινόμενο. Ειδικά μικροτσίπ έχουν εμφανιστεί για τη διαχείριση σημάτων στη διασταύρωση της αιχμής της ασύρματης τεχνολογίας. Ωστόσο, αυτές είναι επιλογές ακριβής σχεδίασης που λειτουργούν με τις αρχές της μικροποίηση και της υψηλής μηχανικής.

Τώρα, μια ομάδα συνεργαζόμενων μηχανικών από το Princeton Engineering και το Indian Institute of Technology αξιοποίησαν την AI για να μειώσουν το κόστος και το χρόνο σχεδίασης αυτών των τσιπ που θα καλύψουν τις αυξανόμενες απαιτήσεις για καλύτερη ασύρματη ταχύτητα και απόδοση. Στο επόμενο τμήμα, θα εμβαθύνουμε σε αυτήν την επαναστατική έρευνα.

AI Creates Complicated Electromagnetic Structures and Associated Circuits in Microchips

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μεθοδολογία ώστε η AI να δημιουργεί πολύπλοκες ηλεκτρομαγνητικές δομές και συναφείς κυκλώματα σε μικροτσίπ. Πριν από αυτήν την επανάσταση, η επίτευξη των ίδιων αποτελεσμάτων θα μπορούσε να απαιτήσει εβδομάδες εξειδικευμένης εργασίας. Τώρα, μπορεί να ολοκληρωθεί σε ώρες.

Για να εξηγήσουμε τι μπορεί να επιτύχει η έρευνα σε προχωρημένους επιστημονικούς όρους, οι ερευνητές παρουσίασαν μια καθολική αντίστροφη σχεδίαση για πολύπλοκες πολυ-θύρας ηλεκτρομαγνητικές δομές με αυθαίρετο σχήμα, με ιδιότητες ακτινοβολίας και σκέδασης σχεδιασμένες ταυτόχρονα με ενεργά κυκλώματα.

Για την επίτευξη του στόχου τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μοντέλα βάσει βαθιάς μάθησης και παρουσίασαν σύνθεση με αρκετά παραδείγματα σύνθετων παθητικών δομών mm-wave και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων mm-wave ευρείας ζώνης. Η παρουσιάσιμη αντίστροφη μεθοδολογία σχεδίασης, η οποία μπορεί να παράγει τα σχέδια σε λεπτά, θα μπορούσε να είναι μετασχηματιστική ανοίγοντας έναν νέο, προηγουμένως απρόσιτο χώρο σχεδίασης, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Σύμφωνα με τον Kaushik Sengupta, επικεφαλής ερευνητή, καθηγητή ηλεκτρικής και υπολογιστικής μηχανικής, και συν-διευθυντή του NextG, του προγράμματος βιομηχανικής συνεργασίας του Princeton για την ανάπτυξη επικοινωνιών επόμενης γενιάς:

«Δημιουργούμε δομές που είναι πολύπλοκες και φαίνονται τυχαίου σχήματος, και όταν συνδέονται με κυκλώματα, δημιουργούν απόδοση που προηγουμένως ήταν αδύνατη. Οι άνθρωποι δεν μπορούν να τις καταλάβουν, αλλά μπορούν να λειτουργούν καλύτερα.»

Η έρευνα καθιστά δυνατό για τους μηχανικούς να κάνουν αυτά τα κυκλώματα συμβατά με πιο ενεργειακά αποδοτικές λειτουργίες. Γίνονται λειτουργικά σε πολύ ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων. Η χρήση της AI βοηθά στη σύνθεση εγγενώς πολύπλοκων δομών σε λεπτά. Η επίτευξη των ίδιων αποτελεσμάτων απαιτούσε παραδοσιακούς αλγόριθμους για εβδομάδες.

Καθώς εξηγούσαν τον ρόλο της AI στην επίτευξη αυτού του αποδοτικού σχεδίου, ο Uday Khankhoje, συν-συγγραφέας και αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρικής μηχανικής στο IIT Madras, δήλωσε:

«Η AI δεν επιταχύνει μόνο τις χρονοβόρες ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις, αλλά επίσης επιτρέπει την εξερεύνηση ενός μέχρι τώρα ανεξερεύνητου χώρου σχεδίασης και παραδίδει εντυπωσιακές, υψηλής απόδοσης συσκευές που αντιβαίνουν στους συνηθισμένους κανόνες και την ανθρώπινη διαίσθηση.»

Τα κλασικά σχέδια, σύμφωνα με τον καθηγητή Sengupta, συνδύαζαν τα κυκλώματα και τα ηλεκτρομαγνητικά στοιχεία κομμάτι-κομμάτι. Η αλλαγή αυτών των δομικών σχεδίων βοηθά στην ενσωμάτωση νέων ιδιοτήτων. Ο Sengupta πιστεύει ότι με την εμφάνιση της AI, οι επιλογές είναι πολύ μεγαλύτερες σε σύγκριση με το προηγούμενο σύστημα, που είχε πεπερασμένο τρόπο εκτέλεσης του ίδιου.

Το σημείο όπου η AI κάνει τη διαφορά είναι η προοπτική. Η πολύπλοκη γεωμετρία των κυκλωμάτων του τσιπ συχνά εμποδίζει τους ανθρώπινους σχεδιαστές να δοκιμάσουν καινοτόμα σχέδια. Οι ανθρώπινοι σχεδιαστές συχνά δεν προσπαθούν να κατανοήσουν το επίπεδο πολυπλοκότητας που εμπεριέχει τέτοιο κύκλωμα. Η AI, από την άλλη, βλέπει το τσιπ ως ένα ενιαίο αντικείμενο, οδηγώντας σε παράξενες αλλά αποτελεσματικές διατάξεις.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει την AI για την ανακάλυψη και σχεδίαση πολύπλοκων ηλεκτρομαγνητικών δομών που συν-σχεδιάζονται με κυκλώματα για τη δημιουργία ενισχυτών ευρείας ζώνης. Μελλοντική έρευνα θα εμβαθύνει στη σύνδεση πολλαπλών δομών και στο σχεδιασμό πλήρων ασύρματων τσιπ με AI.

Συνοψίζοντας το δυναμικό της έρευνας, ο Sengupta δήλωσε: «Αυτό είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου όσον αφορά το τι επιφυλάσσει το μέλλον για το πεδίο.»

Τα τσιπ με ενσωματωμένη AI επαναπροσδιορίζουν τον κόσμο πέρα από τα τεχνολογικά εργαστήρια. Μία εταιρεία που βρίσκεται στην πρώτη γραμμή αυτής της επανάστασης είναι η Nvidia. Η εταιρεία, περίπου ένα χρόνο πριν, επέκτεινε την ηγετική της θέση στην τεχνητή νοημοσύνη με την παρουσίαση ενός νέου «σούπερ τσιπ». Θα δούμε τώρα τι κάνει αυτό το τσιπ «σούπερ» στο επόμενο τμήμα.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για τα βιομιμητικά οσφρητικά τσιπ.

1. Nvidia (NVDA )

Η ανακοίνωση της επαναστατικής εξέλιξης της Nvidia ήρθε από το ετήσιο συνέδριο ανάπτυξης της εταιρείας σχετικά με τη σειρά Blackwell των AI τσιπ. Αυτή η σειρά φιλόδοξων AI τσιπ είχε σκοπό να ενισχύσει τα κορυφαία κέντρα δεδομένων που εκπαιδεύουν μοντέλα Frontier AI, όπως οι τελευταίες γενιές του GPT, του Claude και του Gemini.

Το Blackwell B200 αποτελεί αναβάθμιση σε σχέση με το H100 AI τσιπ της εταιρείας. Ωστόσο, τα H100 AI τσιπ υπέρχουν όταν πρόκειται να καλύψουν τις σημερινές απαιτήσεις, οι οποίες τροφοδοτούν τεράστια AI μοντέλα. Σύμφωνα με δημοσιευμένες αναφορές, η εκπαίδευση ενός AI μοντέλου μεγέθους GPT-4 θα απαιτούσε 8.000 H100 τσιπ και 15 μεγαβάτ ενέργειας.

Αυτή η ποσότητα ενέργειας θα μπορούσε να τροφοδοτήσει περίπου 30.000 τυπικά βρετανικά σπίτια. Ωστόσο, με τα νέα τσιπ της εταιρείας σε λειτουργία, η ίδια διαδικασία εκπαίδευσης θα απαιτούσε μόνο 2.000 B200 και 4 MW ενέργειας.

Ενώ αυτό σημαίνει σημαντική μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, το πραγματικό «παιχνίδι» βρίσκεται στο δεύτερο μέρος της σειράς Blackwell, τα GB200 Superchips, που ενσωματώνουν δύο B200 τσιπ σε μία μόνο πλακέτα μαζί με το Grace CPU της εταιρείας, δημιουργώντας ένα σύστημα που, σύμφωνα με τη Nvidia, προσφέρει «30x την απόδοση» για τις φάρμες διακομιστών που τρέχουν, αντί να εκπαιδεύουν, chatbot όπως το Claude ή το ChatGPT.

Η Microchip, κορυφαίος προμηθευτής ημιαγωγών για έξυπνες, συνδεδεμένες και ασφαλείς ενσωματωμένες λύσεις ελέγχου, συνεργάζεται επίσης με τις λύσεις της NVIDIA. Τον Νοέμβριο του περασμένου έτους, η Microchip κυκλοφόρησε το PolarFire® FPGA Ethernet Sensor Bridge που λειτουργεί με την πλατφόρμα επεξεργασίας αισθητήρων NVIDIA Holoscan. Ο σκοπός ήταν να ενδυναμώσει τους προγραμματιστές να δημιουργήσουν συστήματα επεξεργασίας αισθητήρων με τεχνητή νοημοσύνη (AI).

Η NVIDIA Holoscan βοηθά στην απλοποίηση της ανάπτυξης και υλοποίησης εφαρμογών AI και υψηλής απόδοσης υπολογιστών (HPC) στην άκρη για πραγματικές πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο και ενσωματώνει σε μία πλατφόρμα όλο το απαιτούμενο υλικό και λογισμικό για ροή αισθητήρων χαμηλής καθυστέρησης και δικτυακή συνδεσιμότητα.

Ενώ η NVIDIA βοηθά τη βιομηχανία να ευημερήσει, οι αναφορές υποδεικνύουν ότι η εταιρεία επίσης αναπτύσσεται με γρήγορο ρυθμό. Στις 7 Ιανουαρίου 2025, ο Διευθύνων Σύμβουλος της Nvidia, Jensen Huang, δήλωσε ότι η απόδοση των AI τσιπ της εταιρείας προχωράει πιο γρήγορα από τους ιστορικούς ρυθμούς που θέτει ο νόμος του Μουρ, το κριτήριο που οδήγησε την πρόοδο της υπολογιστικής για δεκαετίες.

Ο Huang ισχυρίστηκε ότι τα AI τσιπ της εταιρείας κινούνται με δικό τους επιταχυμένο ρυθμό, με το τελευταίο data center superchip να είναι πάνω από 30 φορές πιο γρήγορο στην εκτέλεση εργασιών AI inference σε σύγκριση με την προηγούμενη γενιά. Εξηγώντας πώς η Nvidia μπορεί να επιτύχει τέτοια ταχύτητα, ο Huang είπε:

«Μπορούμε να χτίσουμε την αρχιτεκτονική, το τσιπ, το σύστημα, τις βιβλιοθήκες και τους αλγόριθμους ταυτόχρονα. Αν το κάνετε αυτό, μπορείτε να κινηθείτε πιο γρήγορα από τον νόμο του Μουρ, επειδή μπορείτε να καινοτομήσετε σε όλο το stack.»

Σύμφωνα με τον Huang, το πιο πρόσφατο data center super chip της Nvidia, το GB200 NVL72, είναι 30 έως 40 φορές πιο γρήγορο στην εκτέλεση εργασιών AI inference από τα προηγούμενα κορυφαία τσιπ της Nvidia. Η εταιρεία εστιάζει στη δημιουργία πιο αποδοτικών τσιπ που θα είναι διαθέσιμα σε χαμηλότερες τιμές μακροπρόθεσμα.

«Η άμεση και άμεση λύση για υπολογισμούς σε χρόνο δοκιμής, τόσο σε απόδοση όσο και σε προσιτό κόστος, είναι η αύξηση της υπολογιστικής μας ικανότητας.»

– Huang

Συνολικά, όπως ισχυρίζεται ο Huang, τα AI τσιπ της Nvidia σήμερα είναι 1.000 φορές καλύτερα από ό,τι παρήγαγε πριν από 10 χρόνια.

Για το οικονομικό έτος 2024, τα έσοδα της Nvidia αυξήθηκαν κατά 126% σε ρεκόρ 60,9 δισεκατομμύρια δολάρια. Τα GAAP κέρδη ανά αμιγδαρισμένη μετοχή ανήλθαν στα 11,93 δολάρια, άνοδο 586% σε σχέση με το προηγούμενο έτος. Τα μη-GAAP κέρδη ανά αμιγδαρισμένη μετοχή ήταν 12,96 δολάρια, άνοδο 288% από το προηγούμενο έτος. Το μη-GAAP μικτό περιθώριο κέρδους ήταν 73,8%.

2. Cadence (CDNS )

Η Cadence, ηγέτης στον σχεδιασμό ηλεκτρονικών συστημάτων, παρέχει λογισμικό και εξειδικευμένους διακομιστές σε Nvidia και Apple. Η εταιρεία ενσωματώνει τεχνολογία AI στα προϊόντα της για να βελτιώσει την ποιότητα των αποτελεσμάτων, καθώς πιστεύει ότι η AI μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση του προβλήματος του σχεδιασμού ημιαγωγών, που γίνεται όλο και πιο πολύπλοκο καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται εκθετικά.

Ο Διευθύνων Σύμβουλος Anirudh Devgan πρόσφατα τόνισε ότι τα εργαλεία σχεδίασης AI τσιπ της εταιρείας προσφέρουν οφέλη στην απόδοση και την πυκνότητα των τσιπ, παρόμοια με τη μετάβαση σε επόμενη γενιά κόμβου παραγωγής, αλλά χωρίς την ανάγκη μετακίνησης σε νέο κόμβο.

Έτσι, χρησιμοποιώντας την AI στον σχεδιασμό τσιπ, η Cadence βελτιστοποιεί την ισχύ, την απόδοση και την περιοχή (PPA) των τσιπ — που είναι οι πιο σημαντικές μετρήσεις για τους κατασκευαστές τσιπ εκτός από το κόστος — αυτοματοποιώντας εργασίες όπως το place and route και τον εντοπισμό σφαλμάτων, γεφυρώνοντας το χάσμα στο ταλέντο σχεδιασμού τσιπ.

Για αυτές τις βελτιώσεις, η εταιρεία προσφέρει μια ολοκληρωμένη λύση γενετικής AI «chips to systems» που, σύμφωνα με τη Cadence, προσφέρει κέρδη παραγωγικότητας 10X ενώ ενισχύει την απόδοση σε όλους τους τομείς σχεδίασης. Συνολικά, η εταιρεία διαθέτει πέντε κύριες πλατφόρμες AI: analog, digital, verification, PCB, και package and system analysis.

Σύμφωνα με τον Albert Zeng, Διευθυντή Ομάδας Ανώτερης Μηχανικής Λογισμικού στην Ομάδα Σχεδίασης και Ανάλυσης Συστημάτων της Cadence, δήλωσε σε πρόσφατη συνέντευξη:

«Η AI θα έχει μεγάλο αντίκτυπο από άποψη παραγωγικότητας, επειδή ένας βοηθός AI που μπορεί πραγματικά να εξάγει δεδομένα από μια προηγούμενη εμπειρία μπορεί να βοηθήσει νέους μηχανικούς ή σχεδιαστές να πάρουν καλύτερες αποφάσεις για το σχέδιο ή τη διόρθωσή του.»

Λίγο πάνω από δύο χρόνια πριν, η Cadence κυκλοφόρησε την πρώτη γενετική τεχνολογία AI της βιομηχανίας, το Voltus InsightAI, το οποίο εντοπίζει αυτόματα την πηγή παραβάσεων EM-IR (ηλεκτρομεταναγωγής και πτώσης τάσης) στην αρχή της διαδικασίας σχεδίασης, μια υπολογιστικά δαπανηρή εργασία. Η λύση της Cadence επιλέγει και εφαρμόζει τις πιο αποτελεσματικές διορθώσεις για τη βελτίωση του PPA.

Τους τελευταίους μήνες, η Cadence συνεργάστηκε με την TSMC για να αυξήσει την παραγωγικότητα και να βελτιώσει την απόδοση των σχεδίων AI‑driven σε προηγμένα κόμβους καθώς και τρισδιάστατων ενσωματωμένων κυκλωμάτων (3D‑ICs), ώστε να καλύψει αυτό που λέει «απρόσμενη ζήτηση» για προηγμένες λύσεις πυριτίου που μπορούν να διαχειριστούν τεράστιες ποσότητες δεδομένων και υπολογισμών. Με αυτό, οι ροές σχεδίασης με AI είναι πλέον διαθέσιμες για το πιο πρόσφατο TSMC N2P (κλάση 2nm), που προσφέρει 5%‑10% υψηλότερη απόδοση, και τις τεχνολογίες N3.

Η εταιρεία, με κεφαλαιοποίηση 80,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων, των οποίων οι μετοχές διαπραγματεύονται αυτή τη στιγμή στα 292,50 δολάρια, ανέφερε σχεδόν 20% αύξηση στα έσοδα για το τρίμηνο που έληξε τον Σεπτέμβριο. Με αυτή τη μεγαλύτερη άνοδο σε τουλάχιστον έξι τρίμηνα, τα έσοδα ανήλθαν σε 1,22 δισεκατομμύρια δολάρια. Η εταιρεία στην πραγματικότητα στοιχηματίζει σε μια άνθηση της γενετικής AI για να συνεχίσει να οδηγεί τη ζήτηση για τα προϊόντα της και, ως αποτέλεσμα, ανέβασε το μέσο του προσαρμοσμένου ετήσιου κέρδους ανά μετοχή στα 5,90 δολάρια.

Πέρα από αυτήν την άνθηση, η νέα γενιά υπερυπολογιστών Palladium της Cadence μπορεί επίσης να συμβάλει σε αυτήν την ανάπτυξη. Το GAAP λειτουργικό περιθώριο της εταιρείας για το τρίμηνο ήταν 29%, και το μη‑GAAP λειτουργικό περιθώριο ήταν 45%. Τα GAAP κέρδη ανά αμιγδαρισμένη μετοχή ήταν 0,87 δολάρια, και τα μη‑GAAP κέρδη ανά αμιγδαρισμένη μετοχή ήταν 1,64 δολάρια. Η Cadence ανέφερε επίσης ένα backlog 5,6 δισεκατομμυρίων δολαρίων.

Conclusion

Μία από τις πιο γρήγορα εξελισσόμενες τεχνολογίες αυτής της δεκαετίας είναι απλώς η AI, η οποία ήδη έχει αρχίσει να επηρεάζει επιχειρήσεις σε όλους τους κλάδους και αναμένεται να συνεισφέρει πάνω από 15 τρισεκατομμύρια δολάρια στην παγκόσμια οικονομία μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας. Τώρα, η ενσωμάτωση της AI στον σχεδιασμό μικροτσίπ μπορεί να βοηθήσει περαιτέρω στην απλοποίηση των εργασιών, ξεκλειδώνοντας ένα ακόμη επίπεδο αποδοτικότητας, απόδοσης και κλιμακωσιμότητας.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για το ορόσημο κβαντικού τσιπ που προκαλεί ενθουσιασμό για το μέλλον της υπολογιστικής.