一家雄心勃勃的芯片初创公司花费了七年多的时间默默重新设计计算机内存架构，该公司刚刚结束隐身模式，并相信其新方法有助于缓解全球内存芯片短缺问题——前提是能够实现规模化生产。
Kepler Computing 是一家总部位于加利福尼亚州圣何塞的初创公司，由一群物理学家和计算机科学家于 2018 年创立。该公司表示，它已经为高带宽内存（HBM）开发了一种新架构，直接解决了一些正在制约计算市场的芯片供应链瓶颈。
芯片制造商通常依靠昂贵的极紫外光刻（EUV）技术来缩小芯片上的晶体管，从而在相同的空间内塞入更多技术，而 Kepler 声称其“3D 堆叠”方法和专有的新材料使其无需依赖 EUV 即可提高密度，并且可以与现有的半导体制造厂合作。
Kepler 表示，它已经在通常用于 CPU、GPU 和 XPU 的高速缓存内存方面取得了类似的进展。这种所谓的 SRAM 位于芯片裸片的中心，以减少数据传输时间。相比之下，HBM 使用的是 DRAM 堆栈，这是芯片中一个独立的内存组件。
在过去的几年里，该公司从知名金主那里筹集了 4.68 亿美元的资金。其中包括 GlobalFoundries（格芯）、Intel Capital、AMD Ventures、英国投资基金 Baillie Gifford，以及比尔·盖茨通过其私人的 Gates Frontier 基金提供的资助。7 月份，美国商务部承诺向 Kepler 提供最高 2.45 亿美元的资金，用于“在美国开发由创新的 3D 和铁电技术赋能的新型高性能 AI 内存技术”。目前，Kepler 的大部分测试都在新加坡进行，GlobalFoundries（该公司的一个制造合作伙伴兼投资 5000 万美元的投资者）在那里拥有一个工厂。在过去的两年里，Kepler 一直在建设其所谓的“微型晶圆厂”，在那里它与 GlobalFoundries 的 28 纳米芯片联合生产内存芯片。（它还一直在 GlobalFoundries 位于佛蒙特州伯灵顿的设施中进行测试。）Kepler 及其投资者表示，这家初创公司构建内存芯片的新方法来得正是时候。全球内存芯片短缺再次证实了关于建设新晶圆厂的至少两个现实：成本极高且极其繁琐，并且对特定类型内存的需求往往具有周期性。在数据中心驱动、AI 狂热的世界里，HBM 已成为当今最热门的内存。
包括 SK 海力士和美光在内的全球一些领先的内存制造商一直在竞相建造价值数十亿美元的晶圆厂以满足需求，他们押注即使在这些设施投入运营时，业界仍将对高带宽内存有需求。
“很长一段时间以来，我们的想法是先开发 SRAM，然后再开发 DRAM 和 HBM，”Kepler Computing 的联合创始人兼首席执行官 Debo Olaosebikan 说，“但随着 ChatGPT 的推出（2022 年）以及对 HBM 替代品需求的爆炸式增长，我们开始制定 HBM 路线图。现在我们正在并行制造 SRAM 和 HBM。”
“我们并没有抱着这将成为 DRAM 或 SRAM 替代品的想法进入市场，”Intel Capital 的董事总经理 Srini Ananth 说，“我们认为市场会决定这一点，现在你看到了对这两者的需求。”
通过绕过紫外光刻技术，Kepler 成为少数几家致力于避免半导体制造中主要瓶颈之一的技术初创公司之一。该初创公司声称，它可以生产达到 2 纳米或 3 纳米芯片相同密度的 SRAM，而无需投资 EUV。
“Kepler 的方法正中我们战略的红心，”GlobalFoundries CMOS 业务高级副总裁 Ed Kaste 说，“这是一个具有多代扩展潜力的新材料系统，无需在晶圆厂中构建全新的系统或投资非常昂贵的光刻设备。”
Kepler 的总体观点是，加速计算市场不应该等待建立全新的内存晶圆厂来满足需求。相反，在现有晶圆厂内构建内存的新方法可以增加供应。
他们的方法是双管齐下的。在改进 HBM 方面，Kepler 表示它开发了一种新颖的 3D 制造技术，可以在固定的占地面积内安装更多的内存芯片。核心计算可以更靠近内存，因此两者之间传输的数据消耗的能量更少。他们的最终目标是以与 SRAM 相当的能量在 HBM 中移动数据，同时保持 HBM 的大容量。
Kepler 还表示，它利用铁电材料提高了 SRAM 的密度，与半导体中通常用于处理和存储数据的机制相比，铁电材料可以以更低的电压读取和写入数据。该初创公司通过开发一种与这种铁电方法兼容的新型低电压复合材料来实现这一点。
Kepler 的联合创始人兼首席技术官 Sasi Manipatruni 表示，Kepler 团队经历了 35 次复合材料的迭代，才找到他们认为可以使内存芯片制造更轻松、更便宜的材料类别。
“一旦我们找到了解决物理问题的方法——即 HBM 的物理局限性——我们就提出了一种材料创新，有助于增加芯片之间的内存量，”他说。
在与 GlobalFoundries 的早期建设中，Kepler 表示它能够在短短八个月内将晶圆厂改造成“下一代”晶圆厂，而典型的时间框架为 24 个月。
“我们的目标是利用已经建成的晶圆厂和架构，将其推向物理极限，”Olaosebikan 说。
基本上，Kepler 押注于新材料或重新配置现有晶圆厂所带来的任何额外成本，将远远低于建造新晶圆厂并为其配备价值数亿美元的设备所需的 200 亿至 400 亿美元。
假设 Kepler Computing 能够实现全面量产，它前方仍然任重道远。迄今为止，该公司已在其技术上运行了大约 2000 片晶圆。该初创公司表示，计划在今年晚些时候出货其第一批 HBM 芯片样品，明年扩大新加坡的产能，并于 2028 年开始在美国生产芯片。
GlobalFoundries 的高管 Kaste 表示，他对“根本性突破已经发生”充满信心。剩下的就是在数千片晶圆和数百万个器件上获得好结果。”他指出，像 Kepler 正在使用的材料系统的一个挑战是它的复合材料中含有铁。“铁是引入生产设施的顽固污染物。因此，Kepler 的解决方案必须在专用设备上运行，或者完全封装，这样它才不会逃逸，”他说。
“诀窍在于通过我们的生产流程将该材料保持得井井有条、隔离良好，”Kaste 说。
Olaosebikan 不愿证实公司复合材料的具体成分。“我能说的是，我们使用了少量的材料，其中有些并不是你在主流铁电材料中通常能找到的，”他说。
Kepler Computing 并非唯一一家希望颠覆半导体行业的初创公司。去年晚些时候，一家资金充足的名叫 Substrate 的初创公司也因其光刻新方法而引起轰动，该方法使用纳米颗粒在先进芯片上蚀刻细节。正如报道的那样，一些行业分析师对该初创公司的雄心持怀疑态度，指出 Substrate 要想“按时、按预算生产出大量符合极其严格规范的芯片”将极其困难。
无论是采用新工艺、新材料还是两者的某种结合，在尝试半导体制造创新时，规模是一个共同的挑战。“问题在于如何克服污染、不同材料和不同工具的所有局限性，以便产生的创新能够大规模使用并且物有所值，”Creative Strategies 的芯片分析师 Austin Lyons 说，他没有被告知 Kepler 的创新。
证明一种内存新方法是一回事；满足对其的历史需求将完全是另一回事。