2024年上半年，芯片和石墨烯技术和第二台百亿亿次计算机推动半导体极限

　　摩尔定律预测大约每两年晶体管密度加倍，现在正接近其物理极限。然而，GPU技术依然在快速演变，架构和专用处理单元的创新推动了持续的性能提升。多芯片模块、3D芯片堆叠和高级缓存层次结构正在突破单片集成电路的限制。2024年上半年见证了一波技术进步，包括Nvidia推出的Blackwell GPU架构、芯粒技术的广泛采用以及热电池和高带宽内存的重大进展。本文将探讨2024年上半年GPU与半导体技术的最新趋势和突破。

　　2024年5月13日，阿贡国家实验室在德国汉堡举行的ISC高性能计算会议上宣布，Aurora超级计算机突破了百亿亿次计算能力的门槛，成为全世界第二台百亿亿次计算机，并在超级计算机TOP500排名中位列第二。Aurora的规模和架构拥有63,744个GPU，可能在气候平均状态随时间的变化、医疗治疗和材料科学等领域的科学研究中带来潜在的突破。

　　2024年，芯粒技术（即由多个小型半导体晶片组成的单一集成电路）吸引了AMD、Intel、NVIDIA和三星等主要玩家的关注。这项技术也是2024年设计自动化大会（DAC）上的明星。MIT Technology Review在圣克拉拉将芯粒列为2024年十大突破技术之一。对芯粒的兴趣不仅限于美国，中国公司和政府机构以及日本的公司（如Tenstorrent）也在大力投资芯粒研发。

　　热能储存系统（也称为热电池）在工业能源管理和脱碳努力中展现出潜力。这类系统以热量形式储存能量，并能在长时间内捕获和保持大量热能。Rondo Energy、Antora Energy和Electrified Thermal Solutions等公司正在开发此类系统，利用熔盐、混凝土、工程砖或碳块等材料存储能量。

　　例如，Rondo Energy使用由普通材料制造成的砖块在高温下储存热量，其热电池可连续提供高达1500摄氏度的高温热量。这项技术已在加州Calgren Renewable Fuels安装的2兆瓦热电池中使用，有助于减少生物燃料生产的碳强度。

　　Antora Energy则采用固体碳块存储热量，其热电池可以将可再生电力转化为热能，然后通过热光电池将热能再转化为电力。这种双重功能允许直接的工业热应用和电力生成。

　　最后，Electrified Thermal Solutions专注于使用导电砖储存热能，利用热能储存系统的高效率、低成本和与可再次生产的能源集成的能力。

　　几十年来，研究人员一直看好石墨烯的前景，但在半导体应用中一直难以实现。然而，2024年1月，来自美国佐治亚州亚特兰大和中国天津的科学家团队宣布，他们创造了世界上首个完全由石墨烯制成的功能性半导体。该材料的电子迁移率是硅的10倍。研究人员通过克服阻碍石墨烯发展的“带隙”障碍，实现了这一突破。这一成果可能为更快、更高效的设备铺平道路，从而推动更小、更快的电子设备到量子计算等领域的发展。

　　2024年3月，Nvidia在其GTC大会上推出了Blackwell架构。新架构将为B200 GPU和GB200 Grace Blackwell Superchip等产品提供动力，性能较其前代产品Hopper大幅度的提高。Nvidia瞄准了在集群级别上4倍的训练性能提升，对于特定推理工作负载，特别是大语言模型，Nvidia声称在特定条件下性能提升可达30倍。标准格式下计算能力提升2.5倍，使用新FP4格式时则可能达到5倍。新架构的一个代表产品是B200 GPU，拥有2080亿个晶体管，采用TSMC的4NP工艺制造。另一个例子是GB200 Grace Blackwell Superchip，它将两个B200张量核心GPU与Nvidia Grace CPU结合，为AI工作负载提供显著的性能提升。例如，在一个具有1750亿参数的GPT-3 LLM基准测试中，GB200的性能据报道比H100 GPU高出7倍。

　　主要云服务提供商和科技公司，包括AWS、微软、谷歌和甲骨文，计划采用基于Blackwell的系统。

　　高带宽内存（HBM）是一种为3D堆叠同步动态随机存取内存（SDRAM）设计的计算机内存接口，三星、AMD和SK Hynix于2013年宣布了这一技术。2024年，高带宽内存市场见证了显著的改进，特别是在高带宽内存3E（HBM3E）方面。新一代高性能内存旨在缩小GPU快速进步的解决能力与日渐增长的内存带宽需求之间的差距。具体进展包括SK Hynix在2024年3月开始量产的一款36GB内存产品，其数据处理速度可达每秒1.15TB。公司计划在2024年第三季度量产12层HBM3E芯片。SK Hynix还开发了一款16层48GB HBM3E产品，单堆叠速度可达1280 GB/s。与此同时，三星电子也宣布了其品牌为“Shinebolt”的HBM3E内存。

　　2024年5月8日，微软宣布将在威斯康星州投资33亿美元建设AI数据中心，项目选址为废弃的富士康项目地。投资将涵盖云计算和AI基础设施的开发、制造业AI协同创新实验室的创建以及为超过10万名威斯康星州居民提供AI技能培训。投资战略包含四个主要部分：第一是在Mount Pleasant建设新数据中心校园；第二是在威斯康星大学密尔沃基分校建立AI协同创新实验室；后两部分包括与当地组织合作进行AI技能培训以及投资社区教育和青年就业计划。微软预计该项目将在2025年前创造2300个工会建筑工作岗位。

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