Полупроводники // Александр Редькин

Как меняется индустрия полупроводников

Facebook
Twitter
Google+
Pinterest
Vkontakte
Odnoklassniki
1650 4
Как микропроцессорные архитектуры формируют современную индустрию полупроводников, как она устроена и в чем уникальность текущего момента? О ключевых компаниях этого рынка, их роли в общем технологическом процессе, фундаментальных проблемах и физических ограничениях, с которыми столкнулось производство полупроводников.

Меня зовут Александр Редькин, я возглавляю компанию Syntacore. Мы разрабатываем микропроцессорные технологии и являемся одним из первых в мире поставщиков решений на базе открытой процессорной архитектуры RISC-V.

Моя статья и лекция к ней открывают цикл, посвященный разработке современных микросхем и устройству полупроводниковой промышленности. В этом цикле речь пойдет о том, как сегодня выглядят процессы разработки и производства микросхем, чем обусловлено наблюдаемое замедление действия закона Мура, какие фундаментальные ограничения существуют при разработке процессов по нормам менее 10 нм и что предпринимают разные компании, чтобы их обойти.

Но, прежде чем перейти к этим вопросам, во вводной лекции цикла мы посмотрим на текущее состояние рынка полупроводников, основных игроков и их роли в рамках экосистемы, актуальные сейчас проблемы и тренды в разработке микросхем. Приступим.

Как организован рынок полупроводников?

В начале развития полупроводниковой промышленности большинство производителей устройств работали по модели IDM (Integrated Device Manufacturer). То есть компании самостоятельно занимались всеми стадиями разработки и производства микросхем, включая разработку техпроцесса, физическое производство и продажу готовых изделий. Это было возможно за счет того, что сложность интегральных микросхем была относительно низкой, а процессы их производства и тестирования только формировались. Классический пример такой компании — Intel, которая, к слову, на своих основных рынках работает по модели IDM и до сих пор.  Есть и другие сегменты, в которых такой интегрированный подход сохраняет эффективность.

Однако, по мере развития и изменения отрасли под влиянием закона Мура, стоимость разработки новых технологических процессов, строительства и оборудования фабрик быстро росла, что привело к появлению новых рыночных моделей. По сути, все большему числу компаний становилось нецелесообразно и дорого управлять всеми стадиями разработки и производства самостоятельно. В качестве иллюстрации – стоимость каждого EUV степпера производства компании ASML (один из основных «станков» линии производства полупроводников) составляет более $100 млн. Поэтому, чтобы адаптироваться к новым условиям, в которых у все меньшего количества отдельных предприятий хватает ресурсов и рынка, чтобы оставаться в гонке и иметь возможность финансировать разработку следующих поколений технологий, индустрия трансформировалась. Появилась так называемая fabless модель производства с вертикальной специализацией компаний в полном технологическом стеке производства микросхем. В этой модели участники рынка перешли к более узкой специализации, выделились большие категории разработки и производства микросхем, появились целые новые сопряженные рынки, такие как EDA инструменты, полупроводниковое IP, сегмент технологий корпусирования.

Fabless (semiconductor manufacturer) — это компании-производители микросхем, которые не имеют собственного производства и занимаются R&D, поиском новых решений и разработкой устройств. У них могут быть различные специализации и направления деятельности.

Среди известных fabless semi компаний можно назвать: Qualcomm и MediaTek, которые производят чипсеты для мобильных устройств, AMD — производителя x86 совместимых процессоров, Broadcom, который специализируется на решениях для передачи данных, Nvidia — поставщика решений для графики и в последнее время AI, производителей FPGA Xilinx и Аltera (сейчас часть Intel). Услуги по производству физических микросхем fabless semi компаниям предоставляют так называемые foundries. 

Foundries (иногда — pure-play foundries) – это специализированные фабрики по производству полупроводников, который выпускают продукцию для многих компаний на базе стандартных техпроцессов собственной разработки. Наиболее известной из таких компаний является Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC). TSMC это основоположник pure-play foundry бизнес-модели и лидер среди контрактных производителей с долей рынка более 50%. Другими крупными игроками являются корейский Samsung, американская GlobalFoundries, также заметны на рынке тайваньская компания UMC (United Microelectronics Corporation) и китайская SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corp).

Некоторые компании могут совмещать разные бизнес-модели, а также играть те или иные роли по отношению друг к другу. Например, Samsung, являясь IDM компанией, выступает также в роли foundry и на заказ производит микросхемы по технологии до 8 нм.

Среди других значимых участников полупроводниковой отрасли можно выделить контрактных разработчиков микросхем — так называемые Design Houses (DH), EDA компании и производителей полупроводникового IP. DH занимаются разработкой микросхем на заказ, существенная часть которой – это интеграция систем на кристалле (СнК) из готовых блоков, а также разработкой топологий интегральных схем, и часто бывают ассоциированы с конкретными фабриками. Такие компании ценны существенной экспертизой в работе с конкретными PDK (Process Design Kit) – наборами файлов и моделей полупроводниковых приборов для определенного технологического процесса, используемого при разработке устройств.

Особенностью процесса дизайна в fabless модели является повторное использование полупроводникового IP. Современные микросхемы – одни из самых сложных созданных человеком устройств и содержат очень большое количество транзисторов (млрд для больших СнК), поэтому компании часто собирают микросхемы не из отдельных транзисторов, а из более крупных функциональных блоков. Это связано, в первую очередь, со сроками и стоимостью разработки, так как очень небольшое количество компаний в мире обладают экспертизой, необходимой для создания всех основных IP-блоков, необходимых для создания типичной СнК.

Кроме DH, заметными участниками полупроводниковой отрасли являются поставщики EDA (Electronic Design Automation) инструментов и поставщики полупроводникового IP.  Основные EDA компании – это американские Synopsys и Cadence, которые выпускают средства для разработки интегральных схем. Наиболее известные вендоры IP – это разработчик процессорных технологий ARM (приобретается в данный момент компанией Nvidia) и британская Imagination Technology, специалист по графике, также к этой же категории относится и наша компания Syntacore.

Таким образом, в последние годы экономические причины изменили роли компаний и привели к появлению во многих сегментах рынка вертикальных стеков производителей с узкой специализацией, которые работают совместно – каждый со своей маржинальностью и на своем уровне – так чтобы произвести полупроводниковый продукт.

Вся эта сложная отрасль объемом более $400 млрд в год cуществует в контексте всем известного закона Мура, с которым, по слухам, в последнее время что-то происходит. Напомню, что этот эмпирический закон гласит, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться с определенной периодичностью, обеспечивая возможность экспоненциального роста количества доступных на кристалле транзисторов (и, соответственно, сложности микросхем).

Замедление закона Мура на фоне роста сложности вычислений и специализация – как основной вектор развития

Действительно, в последнюю декаду много говорят о замедлении и даже прекращении действия закона Мура. Действительно, можно наблюдать, что темпы появления новых техпроцессов существенно замедлились в последние годы, многие компании отказываются от дальнейшей технологической гонки. По данным производителей, в самом важном, экономическом смысле, закон перестал действовать примерно с 20 нм. То есть даже если технологически уменьшать проектные нормы удается, это не приводит к удешевлению производства микросхем в пересчете на транзистор. По сути говоря, мы достигли определенного предела.

И даже если появляются дополнительные транзисторные бюджеты (пусть и с увеличением стоимости), извлекать из них пользу все тяжелее. Сильно упрощая, все меньшую часть транзисторов можно одновременно включать и все труднее при этом отводить тепло с поверхности микросхемы (это следствие прекращения действия менее известного принципа масштабирования Деннарда). В последние годы существенная часть усилий разработчиков сложных микросхем тратится на управление питанием – специальная логика следит за потреблением и, при необходимости, периодически замедляет работу микросхемы, чтобы удерживать его в допустимом диапазоне.

Именно поэтому традиционные подходы к повышению производительности процессоров, которые в полном смысле работали раньше, больше не работают. Частота в 3 ГГц была достигнута более 10 лет назад, и мы всё еще примерно на этом уровне. Единственный все еще доступный относительно эффективный способ расходования дополнительной площади кристалла – увеличение количества ядер в процессоре. Но и здесь существуют ограничения, такие как закон Амдала, ограничивающие возможности эффективного распараллеливания вычислений.

В то же самое время сложность алгоритмов растет опережающими темпами. Существенными драйверами выступают, в том числе, технологии искусственного интеллекта, которые становятся практически полезными, и высокоскоростная беспроводная связь. Специалисты знают, что когда LTE модем современной категории, который есть сейчас практически в любом телефоне, работает с полной производительностью, он выполняет порядка 100 миллиардов операций в секунду. Получается, что вычислений становится всё больше, а привычные подходы повышению производительности систем больше не масштабируются. Вместе все эти факторы создают в отрасли стратегический переломный момент (в терминологии другого CEO Intel – Энди Грува).

Основным подходом, к которому в результате пришла отрасль для увеличения производительности вычислений, — это использование в составе систем на кристале многочисленных акселераторов (аппаратных ускорителей) и специализация вычислительных устройств.

Пока мы все еще находимся в начале этого процесса, но некоторые характерные проекты в данном направлении уже заметны. Например, Google TPU – специализированный ускоритель нейронных сетей для Datacenter, который существует уже в третьем поколении.

На мой взгляд, тренд на специализацию сейчас, по сути, безальтернативный. И следующие уровни производительности можно будет получать только существенно специализируя вычислители под задачи, в том числе на уровне полупроводниковых компонентов.

Какую роль в отрасли играют экосистемы процессорных архитектур и что такое RISC-V?

Экосистемы играют существенную роль в развитии технологий. Предположу, что наиболее известны аудитории две основные экосистемы вычислительных платформ, сложившиеся на данный момент: х86 и ARM. Основные участники этих экосистем уже давно существуют на рынке, прорваться новому игроку невероятно сложно. Трудно представить, что новичок, решивший производить микропроцессоры на базе данных архитектур, сможет всерьез конкурировать на мировом рынке с мощными существующими производителями. Вместе с тем, в последнее время многие компании все сильнее ощущают неудобства и ограничения, связанные с монопольным положением некоторых участников этих экосистем.

Как альтернатива закрытым процессорным архитектурам ARM и x86 появилась открытая архитектура RISC-V. Этот проект был запущен в 2010 году группой исследователей из Университета Беркли. Главные преимущества данного стандарта — открытость, нейтральность и расширяемость. Важной особенностью является возможность определить стандарт с чистого листа с учетом более чем 40-летнего опыта отрасли в процессоростроении.

Развитием и продвижением стандарта занимается RISC-V консорциум, который на данный момент насчитывает более 500 участников, включая Google, Samsung, Nvidia, Qualcomm, Western Digital, Microsoft, IBM и Huawei. Интерес к технологии очень велик, многие компании объявили объемные проекты на базе RISC-V. Участники рынка понимают, что открытый стандарт на систему команд процессора обладает потенциалом открыть такие привлекательные рынки, как дата-центр, рынки персональных компьютеров и мобильных устройств, которые сейчас в существенной степени защищены патентами на системы команд процессоров.

Решения на базе расширяемого стандарта RISC-V могут позволить производителям превзойти x86 и ARM в скорости и энергоэффективности вычислений. Сейчас, на старте развития, продукты на базе RISC-V становятся популярным выбором для интернета вещей и встроенных систем. Новая экосистема дает возможности производителям, которым раньше было сложно отвоевать себе нишу, быстро зайти на эти рынки и стать на них заметными игроками.

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ