Стартап Kepler Computing меняет правила игры на рынке памяти
Амбициозный стартап Kepler Computing, более семи лет работавший в скрытом режиме над редизайном архитектуры компьютерной памяти, официально вышел из тени. Компания полагает, что её новая технология способна смягчить глобальный дефицит чипов памяти, если удастся наладить массовое производство.
Кеплер, основанный в 2018 году в Сан-Хосе (Калифорния) командой физиков и специалистов по компьютерным наукам, разработал архитектуру для высокополосной памяти (HBM). Это решение напрямую направлено на устранение узких мест в цепочках поставок, ограничивающих компьютерный рынок.
Технологический подход и возможности масштабирования
В то время как производители чипов обычно полагаются на дорогостоящую экстремальную ультрафиолетовую литографию (EUV) для уменьшения транзисторов, Kepler делает ставку на «3D-стекирование» (3D-наслоение) и новый запатентованный материал. Такой метод позволяет увеличить плотность без использования EUV, причем технология совместима с существующими мощностями полупроводниковых заводов.
Аналогичных успехов компания добилась в области высокоскоростной кэш-памяти (SRAM), которая используется в процессорах CPU, GPU и XPU. SRAM располагается непосредственно в кристалле чипа для сокращения времени передачи данных, тогда как HBM использует отдельные стеки DRAM.
Финансирование и государственная поддержка
За последние несколько лет Kepler привлекла 468 миллионов долларов инвестиций. Среди спонсоров — GlobalFoundries, Intel Capital, AMD Ventures, британский фонд Baillie Gifford и Билл Гейтс через его фонд Gates Frontier.
В июле Министерство торговли США обязалось выделить Kepler до 245 миллионов долларов на «разработку в США нового класса высокопроизводительных технологий памяти для ИИ, основанных на инновационных 3D- и сегнетоэлектрических технологиях». В настоящее время большая часть тестирования проводится в Сингапуре, где находится завод партнера и инвестора GlobalFoundries (вложившего 50 млн долларов).
Последние два года Kepler развивает так называемые «мини-фабы», где производит чипы памяти совместно с 28-нанометровыми чипами GlobalFoundries. Испытания также проходят на мощностях GlobalFoundries в Берлингтоне, штат Вермонт.
Стратегия развития в эпоху ИИ
Инвесторы и руководство Kepler считают, что новая технология появилась в крайне удачный момент. Дефицит памяти подчеркнул две реальности: строительство новых заводов обходится крайне дорого, а спрос на специфические типы памяти носит циклический характер. В мире, ориентированном на дата-центры и ИИ, HBM стала наиболее востребованным продуктом.
Ведущие игроки, такие как SK Hynix и Micron, инвестируют миллиарды долларов в новые заводы, рассчитывая на сохранение спроса. Дебо Олаосебикан, соучредитель и генеральный директор Kepler, отмечает, что после запуска ChatGPT в 2022 году компания начала параллельную разработку SRAM и HBM. Срини Анан, управляющий директор Intel Capital, подчеркивает: «Мы не рассматривали это как замену DRAM или SRAM, но рынок продиктовал спрос на оба решения».
Kepler утверждает, что их SRAM достигает плотности, характерной для 2-нм или 3-нм чипов, без вложений в EUV. Эд Каст, старший вице-президент CMOS-бизнеса GlobalFoundries, отмечает, что новая система материалов с потенциалом многопоколенческого масштабирования позволяет избежать капитальных затрат на новое оборудование.
Двухуровневая оптимизация памяти
Ключевой посыл Kepler заключается в том, что рынок не должен ждать строительства новых заводов. Предлагаемый подход состоит из двух частей:
* HBM: новая технология 3D-производства позволяет разместить больше чипов на ограниченной площади. Ядро вычислений располагается ближе к памяти, что снижает энергопотребление при передаче данных. Цель — обеспечить энергоэффективность уровня SRAM при сохранении емкости HBM.
* SRAM: компания повысила плотность за счет использования сегнетоэлектриков, которые позволяют считывать и записывать данные при более низком напряжении по сравнению с традиционными механизмами обработки и хранения.
Инновации в материалах и производственные вызовы Kepler Computing
Стартап Kepler достиг поставленной цели, разработав новый низковольтный композитный материал, который совместим с сегнетоэлектрическим подходом. Саси Манипатруни, соучредитель и технический директор Kepler, отмечает, что команда прошла через 35 итераций создания композитов, прежде чем нашла класс материалов, способный упростить и удешевить производство чипов памяти. По его словам, как только физические ограничения для HBM были устранены, компания предложила инновационный материал, увеличивающий объем памяти, доступный между чипами.
В ходе первых совместных проектов с GlobalFoundries компания Kepler продемонстрировала возможность переоборудования фабрики в предприятие «следующего поколения» всего за восемь месяцев, что значительно быстрее стандартных 24 месяцев. Как утверждает Олаосебикан, цель компании — использовать уже существующие фабрики и архитектуры, доводя их возможности до предела физических законов. Kepler делает ставку на то, что дополнительные расходы на новые материалы или переоснащение текущих мощностей окажутся значительно ниже затрат на строительство новых предприятий стоимостью от 20 до 40 миллиардов долларов и их укомплектование оборудованием на сотни миллионов долларов.
Путь к масштабированию и производственные сложности
Kepler Computing предстоит долгий путь до достижения полноценного серийного производства. На текущий момент компания испытала свою технологию примерно на 2000 пластинах. Стартап планирует начать поставки первых образцов HBM-чипов позднее в этом году, нарастить производство в Сингапуре в следующем году, а запуск выпуска чипов в США намечен на 2028 год.
Представитель GlobalFoundries Касте выражает уверенность в том, что фундаментальные прорывы уже совершены. Теперь задача заключается в получении стабильных результатов на тысячах пластин и миллионах устройств. Касте обращает внимание, что одной из сложностей является использование железа в композитном материале Kepler. Железо считается трудноустранимым загрязнителем для производственных мощностей, поэтому решение Kepler требует использования специализированного оборудования или полной герметизации материала, чтобы исключить его распространение. Искусство процесса заключается в обеспечении надежной изоляции этого материала на протяжении всего производственного цикла.
Олаосебикан не стал подтверждать конкретный состав композитного материала, уточнив лишь, что используется небольшое количество компонентов, некоторые из которых не встречаются в традиционных сегнетоэлектриках.
Конкуренция и отраслевые скептики
Kepler Computing — не единственный стартап, пытающийся изменить полупроводниковую индустрию. В конце прошлого года стартап Substrate привлек внимание своим новым подходом к литографии, использующим наночастицы для травления деталей на передовых чипах. При этом некоторые аналитики выразили скепсис в отношении амбиций Substrate, указывая на крайнюю сложность производства большого количества чипов, соответствующих жестким спецификациям, в установленные сроки и бюджет.
Масштабирование остается общей проблемой при любых попытках внедрения инноваций в производство полупроводников, будь то новые процессы, материалы или их комбинации. Аналитик Creative Strategies Остин Лайонс отмечает, что главный вопрос заключается в преодолении ограничений, связанных с загрязнением, использованием новых материалов и специализированного оборудования, чтобы итоговая инновация была применима в масштабе и оправдывала затраты. Подтверждение эффективности нового метода для памяти — это лишь первый этап, а удовлетворение исторически высокого спроса на нее станет совершенно иной задачей.
Важно уточнить, что Kepler Computing не просто стремится к инновациям ради самих инноваций: компания изначально планировала иную стратегию развития. По словам Дебо Олаосебикана, долгосрочный план команды заключался в том, чтобы сосредоточиться на SRAM, а затем последовательно переходить к DRAM и HBM. Однако запуск ChatGPT в 2022 году и последовавший за ним «взрывной» спрос на альтернативы существующим решениям HBM заставили стартап радикально пересмотреть дорожную карту и начать параллельную разработку обоих типов памяти.
Особое внимание уделяется именно материаловедению как способу обхода физических ограничений литографии. Саси Манипатруни отмечает, что команда провела 35 итераций работы с композитами, прежде чем обнаружила класс материалов, делающий производство чипов памяти более простым и экономически эффективным. Физическая суть инновации заключается в решении проблем, которые ранее ограничивали плотность памяти между чипами.
Технологический процесс переоснащения фабрик также заслуживает внимания. В сотрудничестве с GlobalFoundries компания смогла перепрофилировать существующую производственную линию в фабрику «следующего поколения» всего за 8 месяцев. Для сравнения, типичный цикл строительства и оснащения полноценного завода составляет около 24 месяцев. Эта разница критически важна, так как Kepler делает ставку на то, что любые дополнительные затраты на использование новых материалов или частичное переоснащение (ретулинг) имеющихся мощностей окажутся несопоставимо ниже, чем строительство новых fab-центров с нуля. По оценкам компании, такие стройки требуют от 20 до 40 миллиардов долларов инвестиций, не считая затрат на покупку оборудования, стоимость которого исчисляется сотнями миллионов долларов за единицу.
Несмотря на оптимизм, эксперты отрасли, включая Остина Лайонса из Creative Strategies, призывают к осторожности. Главный вопрос для любой подобной инновации — это не просто подтверждение работоспособности концепции в лаборатории, а способность преодолеть барьеры, связанные с промышленным загрязнением, интеграцией нестандартных материалов и необходимостью использования специфической оснастки. Риск «железного загрязнения», о котором упоминает Эд Каст из GlobalFoundries, является показательным примером: наличие железа в составе композита требует либо выделения под продукт отдельного, специализированного оборудования, либо внедрения методов полной герметизации материала, чтобы исключить его миграцию в чистые помещения фабрики. Именно в искусстве изоляции этого материала в рамках стандартного производственного потока и заключается основной вызов для успеха Kepler на этапе масштабирования.
