美国工程师研发出突破性的3D芯片，性能指数级超越2D

IT之家 12月14日消息，据外媒Interesting Engineering报道，美国工程师团队研发出一种具有独特架构的新型多层计算机芯片，有望开启人工智能硬件的新纪元。

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研究团队指出，在硬件测试和仿真中，这款新型三维（3D）芯片的性能较传统二维（2D）芯片高出近一个数量级。

据了解，与当前主流的平面化2D芯片不同，该新型原型芯片的关键超薄组件如同摩天大楼的楼层般垂直堆叠，其内部的垂直布线则如同大量高速电梯，可实现快速、大规模的数据传输。该芯片凭借创纪录的垂直互连密度，以及精心交织的存储单元与计算单元，有效规避了长期制约平面芯片性能提升的瓶颈问题。

斯坦福大学电气工程系 William E. Ayer 讲席教授、计算机科学教授、同时也是描述该芯片成果论文的主要负责人 Subhasish Mitra 表示：“这为芯片制造与创新开启了一个新时代。正是此类突破，才能满足未来人工智能系统对硬件性能千倍提升的需求。”

尽管学术界此前已研制过实验性3D芯片，但此次是首次在商业晶圆代工厂成功制造出具备明确性能优势的3D芯片。

研究团队还指出，在传统2D芯片上，所有组件都布置于单一平面，内存分布稀疏且有限，数据只能通过少数几条冗长而拥挤的路径传输。由于计算单元的运行速度远快于数据移动速度，同时芯片无法在附近集成足够内存，系统常常被迫等待数据，这一现象被工程师称为“内存墙”（memory wall），即处理速度超过芯片数据传输能力的临界点。

卡内基梅隆大学电气与计算机工程助理教授、该论文资深作者 Tathagata Srimani 表示：“通过将内存与计算单元垂直集成，我们可以更快地传输更多数据，就像高层建筑中的多部电梯能同时运送大量住户上下楼层一样。”Srimani 最初是在 Mitra 指导下从事博士后研究时启动了这项工作。

斯坦福大学、卡内基梅隆大学、宾夕法尼亚大学和麻省理工学院的工程师们与 SkyWater Technology 公司合作开发了这款3D芯片。

初步硬件测试显示，该原型芯片的性能已比同类2D芯片高出约4倍。对更高堆叠层数的未来版本进行的仿真表明，性能提升更为显著：在真实人工智能工作负载（包括源自 Meta 开源 LLaMA 模型的任务）下，增加更多层级的设计可实现最高达12倍的性能提升。

研究团队还声称，该设计为实现能效-延迟乘积（Energy-Delay Product， EDP）提升100至1000倍开辟了一条切实可行的路径。EDP 是衡量速度与能效平衡的关键指标。通过大幅缩短数据传输距离并增加大量垂直通路，该芯片能够同时实现更高的吞吐量和更低的单位操作能耗，这种组合长期以来被认为是传统平面架构难以企及的目标。

宾夕法尼亚大学电气与系统工程助理教授、该研究共同作者 Robert M. Radway 表示：“‘内存墙’与‘微缩墙’（miniaturization wall）构成了致命组合。我们通过紧密集成内存与逻辑单元，并以极高密度向上构建，正面迎击这一挑战。这就好比计算领域的曼哈顿——我们能在更小的空间内容纳更多‘居民’。”