Архитектура бывает разной. Одна формирует облик величественных зданий и гигантских мегаполисов. Другая упорядочивает мир полупроводников, создаёт невидимую для невооруженного глаза инженерную вселенную, сотканную из микропроцессоров, плат, транзисторов. Как микропроцессорные архитектуры формируют современную индустрию полупроводников и в чем уникальность открытых стандартов? О ключевых компаниях этого рынка, их роли в общем технологическом процессе и фундаментальных проблемах отрасли рассказывает глава компании Syntacore — одного из первых в мире поставщиков решений на базе открытой процессорной архитектуры RISC-V.
- чем обусловлено наблюдаемое замедление действия закона Мура
- какие фундаментальные ограничения существуют при разработке процессоров по нормам менее 10 нм и что предпринимают разные компании, чтобы их обойти
- что такое fabless-модель
- зачем работу микросхемы иногда принудительно замедляют
Прежде чем говорить о трендах, необходимо вспомнить, с чего всё начиналось. 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 счёт 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.
Закон Мура — эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.
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, всё 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.
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 сопряжённые рынки, такие как полупроводниковое IP, сегмент технологий корпусирования.
Среди известных fabless-, semi-компаний можно назвать, например, 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.
Наиболее известной из таких компаний является Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (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 (для больших СнК счёт идёт на миллиарды), 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 обладает экспертизой, необходимой для создания всех основных IP-блоков, необходимых для создания типичной СнК.
Кроме DH, заметными участниками полупроводниковой отрасли являются поставщики EDA-инструментов (EDA — Electronic Design Automation) и 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 и британская Imagination Technology, специалист по графике, 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 существует в контексте известного закона Мура, с которым, по слухам, в последнее время что-то происходит. Напомню, что этот эмпирический закон, который датируется 1965 годом, гласит, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться с определенной периодичностью, обеспечивая возможность экспоненциального роста количества доступных на кристалле транзисторов (и, соответственно, сложности микросхем).
Вы знаете, в последнюю декаду действительно много говорят о замедлении и даже прекращении действия закона Мура. Да, 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 удаётся, 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.
Как меняется современная полупроводниковая промышленность? Рассказ основателя компании Syntacore
Именно поэтому традиционные подходы к повышению производительности процессоров, которые были раньше, больше в полном смысле не работают. Частота в 3 ГГц была достигнута более 10 лет назад, и мы всё ещё примерно на этом уровне. Единственный всё ещё 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.
Существенными драйверами тут 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 к 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 кристалле многочисленных акселераторов (аппаратных ускорителей) и специализация вычислительных устройств.
Пока мы все ещё 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.
Экосистемы играют существенную роль в развитии технологий. Предположу, что наиболее известны вашей 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.
Интерес к технологии действительно очень велик, и многие компании объявили объёмные проекты на базе RISC-V. В целом же 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.
Участники рынка понимают, что открытый стандарт на систему команд процессора обладает потенциалом открыть такие привлекательные рынки, как дата-центры, 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.
В итоге новая экосистема даёт возможности производителям, которым раньше было сложно отвоевать себе нишу, быстро зайти на эти рынки и стать на них заметными игроками.
