2024年上半年，芯片和石墨烯技術(shù)以及第二臺百億億次計算機推動(dòng)半導體極限

摩爾定律遇到物理極限，但GPU技術(shù)繼續快速演變

摩爾定律預測大約每?jì)赡昃w管密度加倍，現在正接近其物理極限。然而，GPU技術(shù)依然在快速演變，架構和專(zhuān)用處理單元的創(chuàng )新推動(dòng)了持續的性能提升。多芯片模塊、3D芯片堆疊和高級緩存層次結構正在突破單片集成電路的限制。2024年上半年見(jiàn)證了一波技術(shù)進(jìn)步，包括Nvidia推出的Blackwell GPU架構、芯粒技術(shù)的廣泛采用以及熱電池和高帶寬內存的重大進(jìn)展。本文將探討2024年上半年GPU和半導體技術(shù)的最新趨勢和突破。

Aurora超算實(shí)現百億億次性能，全球排名第二

2024年5月13日，阿貢國家實(shí)驗室在德國漢堡舉行的ISC高性能計算會(huì )議上宣布，Aurora超級計算機突破了百億億次計算能力的門(mén)檻，成為全球第二臺百億億次計算機，并在超級計算機TOP500排名中位列第二。Aurora的規模和架構擁有63,744個(gè)GPU，可能在氣候變化、醫療治療和材料科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究中帶來(lái)潛在的突破。

芯粒技術(shù)在半導體行業(yè)引起轟動(dòng)

2024年，芯粒技術(shù)（即由多個(gè)小型半導體晶片組成的單一集成電路）吸引了AMD、Intel、NVIDIA和三星等主要玩家的關(guān)注。這項技術(shù)也是2024年設計自動(dòng)化大會(huì )（DAC）上的明星。MIT Technology Review在圣克拉拉將芯粒列為2024年十大突破技術(shù)之一。對芯粒的興趣不僅限于美國，中國公司和政府機構以及日本的公司（如Tenstorrent）也在大力投資芯粒研發(fā)。

熱電池在工業(yè)能源存儲和脫碳應用中獲得進(jìn)展

熱能儲存系統（也稱(chēng)為熱電池）在工業(yè)能源管理和脫碳努力中展現出潛力。這類(lèi)系統以熱量形式儲存能量，并能在長(cháng)時(shí)間內捕獲和保持大量熱能。Rondo Energy、Antora Energy和Electrified Thermal Solutions等公司正在開(kāi)發(fā)此類(lèi)系統，利用熔鹽、混凝土、工程磚或碳塊等材料存儲能量。

例如，Rondo Energy使用由普通材料制成的磚塊在高溫下儲存熱量，其熱電池可連續提供高達1500攝氏度的高溫熱量。這項技術(shù)已在加州Calgren Renewable Fuels安裝的2兆瓦熱電池中使用，有助于減少生物燃料生產(chǎn)的碳強度。

Antora Energy則采用固體碳塊存儲熱量，其熱電池可以將可再生電力轉化為熱能，然后通過(guò)熱光電池將熱能再轉化為電力。這種雙重功能允許直接的工業(yè)熱應用和電力生成。

最后，Electrified Thermal Solutions專(zhuān)注于使用導電磚儲存熱能，利用熱能儲存系統的高效率、低成本和與可再生能源集成的能力。

佐治亞理工大學(xué)研究人員創(chuàng )造出首個(gè)功能性石墨烯半導體

幾十年來(lái)，研究人員一直看好石墨烯的前景，但在半導體應用中一直難以實(shí)現。然而，2024年1月，來(lái)自美國佐治亞州亞特蘭大和中國天津的科學(xué)家團隊宣布，他們創(chuàng )造了世界上首個(gè)完全由石墨烯制成的功能性半導體。該材料的電子遷移率是硅的10倍。研究人員通過(guò)克服阻礙石墨烯發(fā)展的“帶隙”障礙，實(shí)現了這一突破。這一成果可能為更快、更高效的設備鋪平道路，從而推動(dòng)更小、更快的電子設備到量子計算等領(lǐng)域的發(fā)展。

Nvidia推出下一代Blackwell GPU架構

2024年3月，Nvidia在其GTC大會(huì )上推出了Blackwell架構。新架構將為B200 GPU和GB200 Grace Blackwell Superchip等產(chǎn)品提供動(dòng)力，性能較其前代產(chǎn)品Hopper大幅提升。Nvidia瞄準了在集群級別上4倍的訓練性能提升，對于特定推理工作負載，特別是大語(yǔ)言模型，Nvidia聲稱(chēng)在特定條件下性能提升可達30倍。標準格式下計算能力提升2.5倍，使用新FP4格式時(shí)則可能達到5倍。新架構的一個(gè)代表產(chǎn)品是B200 GPU，擁有2080億個(gè)晶體管，采用TSMC的4NP工藝制造。另一個(gè)例子是GB200 Grace Blackwell Superchip，它將兩個(gè)B200張量核心GPU與Nvidia Grace CPU結合，為AI工作負載提供顯著(zhù)的性能提升。例如，在一個(gè)具有1750億參數的GPT-3 LLM基準測試中，GB200的性能據報道比H100 GPU高出7倍。

主要云服務(wù)提供商和科技公司，包括AWS、微軟、谷歌和甲骨文，計劃采用基于Blackwell的系統。

HBM3E開(kāi)啟新內存帶寬時(shí)代

高帶寬內存（HBM）是一種為3D堆疊同步動(dòng)態(tài)隨機存取內存（SDRAM）設計的計算機內存接口，三星、AMD和SK Hynix于2013年宣布了這一技術(shù)。2024年，高帶寬內存市場(chǎng)見(jiàn)證了顯著(zhù)的改進(jìn)，特別是在高帶寬內存3E（HBM3E）方面。新一代高性能內存旨在縮小GPU快速進(jìn)步的處理能力與日益增長(cháng)的內存帶寬需求之間的差距。具體進(jìn)展包括SK Hynix在2024年3月開(kāi)始量產(chǎn)的一款36GB內存產(chǎn)品，其數據處理速度可達每秒1.15TB。公司計劃在2024年第三季度量產(chǎn)12層HBM3E芯片。SK Hynix還開(kāi)發(fā)了一款16層48GB HBM3E產(chǎn)品，單堆疊速度可達1280 GB/s。與此同時(shí)，三星電子也宣布了其品牌為“Shinebolt”的HBM3E內存。

微軟宣布33億美元投資威斯康星州AI數據中心，重振擱置的富士康項目

2024年5月8日，微軟宣布將在威斯康星州投資33億美元建設AI數據中心，項目選址為廢棄的富士康項目地。投資將涵蓋云計算和AI基礎設施的開(kāi)發(fā)、制造業(yè)AI協(xié)同創(chuàng )新實(shí)驗室的創(chuàng )建以及為超過(guò)10萬(wàn)名威斯康星州居民提供AI技能培訓。投資戰略包含四個(gè)主要部分：第一是在Mount Pleasant建設新數據中心校園；第二是在威斯康星大學(xué)密爾沃基分校建立AI協(xié)同創(chuàng )新實(shí)驗室；后兩部分包括與當地組織合作進(jìn)行AI技能培訓以及投資社區教育和青年就業(yè)計劃。微軟預計該項目將在2025年前創(chuàng )造2300個(gè)工會(huì )建筑工作崗位。