Представителям ресурса Barron’s удалось пообщаться с генеральным директором AMD Лизой Су (Lisa Su), и в ходе интервью были затронуты те темы, которые на квартальной отчётной конференции не освещались в полной мере. Заявление одного из конкурентов о «смерти закона Мура» глава AMD оспорила, подчеркнув, что действие этого принципа действительно замедлилось. При этом Лиза Су не скрывает, что компания уже ведёт разработку 3-нм продуктов и присматривается к 2-нм техпроцессу.

Источник изображения: AMD

«Я думаю, что закон Мура замедлился. Нам придётся действовать иначе, чтобы сохранять прирост быстродействия и энергоэффективности», — пояснила глава компании. Напомним, что сформулированный в прошлом веке одним из основателей компании Intel Гордоном Муром (Gordon Moore) эмпирический принцип в своей более современной редакции говорил о способности полупроводниковой промышленности примерно удваивать плотность размещения транзисторов каждые два года. С практической точки зрения это означало, что производительность полупроводниковых компонентов увеличивалась, энергопотребление снижалось, да и выпускать их становилось дешевле.

Замедление закона Мура, о котором говорит Лиза Су, отчасти обусловлено ростом цен на обработанные кремниевые пластины с каждой новой ступенью литографии. Себестоимость чипов снижается всё меньше с каждым новым поколением, производительность чипов растёт не так активно, а энергопотребление снижается в меньшей степени. Это не отбивает у AMD желания двигаться вперёд, по словам Лизы Су: «Мы делаем достаточно много в сфере трёх нанометров уже сегодня и смотрим за этот предел в сторону 2 нм». Преодолевать препятствия, возникающие на пути закона Мура, компания намеревается при помощи чиплетов, трёхмерной компоновки и оптимизации программного обеспечения. Предусмотрены и некоторые другие инновации, о характере которых глава AMD пока не рассказывает.

Возвращаясь к теме вчерашнего квартального отчёта, глава AMD пояснила, что в долгосрочной перспективе спрос на производительные вычисления всё равно вернётся, имеющиеся трудности со сбытом продукции в серверном сегменте носят временный характер. В текущем году улучшение наступит уже во втором полугодии, как считает Лиза Су. В графическом сегменте она вполне довольна позиционированием архитектуры RDNA 3. Компания считает важным преимуществом своё присутствие как в сегменте игровых консолей, так и в сегменте дискретных видеокарт, а также гибридных процессоров со встроенной графикой.

Гордон Мур (Gordon Moore), стоявший у истоков корпорации Intel, называл себя «случайным предпринимателем», но окружающие считали его талантливым инженером, позволившим создать одну из крупнейших компаний в полупроводниковой отрасли. Ещё в шестидесятых годах прошлого века ему удалось предсказать принципы развития всей индустрии. В минувшую пятницу Гордон Мур ушёл из жизни в возрасте 94 лет.

Источник изображения: Intel

Сооснователь Intel давно находился на пенсии, и свои последние дни провёл в доме на Гавайях в окружении семьи и близких. В браке с женой Бетти он состоял с 1950 года, у них родилось двое детей. После выхода на заслуженный отдых Гордон Мур много времени уделял путешествиям и рыбалке, а последнее из увлечений подтолкнуло его основать благотворительный фонд, который занимался сохранением водной фауны в различных регионах планеты. Личное благосостояние Гордона Мура журнал Forbes на начало текущего года оценивал в $7,2 млрд.

Родившийся в Сан-Франциско в 1929 году, Гордон Мур получил образование в Калифорнийском технологическом институте, которому после выхода на пенсию регулярно помогал деньгами. Научную степень Мур получил в 1954 году, а свой знаменитый эмпирический принцип развития полупроводниковой отрасли сформулировал в 1965 году в научной статье. Сперва он предрекал, что плотность размещения транзисторов на единице площади полупроводниковой схемы будет удваиваться каждый год, в дальнейшем этот шаг растянулся до полутора лет, а потом и до двух.

Свой профессиональный путь Гордон Мур начал в лаборатории Shockley Semiconductor, где и познакомился с Робертом Нойсом (Robert Noyce). В 1957 году они вместе с товарищами основали компанию Fairchild Semiconductor, а уже в 1968 году покинули её для создания корпорации Intel, которая на первых порах носила имя Integrated Electronics. Первым нанятым сотрудником корпорации оказался Энди Гроув (Andy Grove), который отвечал за общее руководство компании и в дальнейшем способствовал успеху бизнеса в два последних десятилетия прошлого века.

Исполнительным президентом Intel Гордон Мур был до 1975 года, с 1979 по 1987 годы он выступал в роли генерального директора и председателя совета директоров, а последний пост сохранял за собой до 1997 года. К 2006 году Мур окончательно покинул Intel, чтобы сосредоточиться на благотворительности и собственных интересах. В корпорации Intel высоко ценят вклад, который сделал её сооснователь в судьбу всей полупроводниковой отрасли, тщательно оберегая тот самый «закон Мура», следовать которому в развитии в последние годы становится всё сложнее.

Этой осенью глава NVIDIA заявил, что знаменитый закон Мура давно не работает, а каждый новый техпроцесс вызывает рост затрат разработчиков чипов. На это гендиректор Intel ответил, что указанное правило по-прежнему «живёт и здравствует». Технический директор AMD на этой неделе заявил, что действительно «закон Мура мёртв», но у компании есть решение на ближайшие годы, правда, придётся смириться с ростом затрат.

Источник изображения: AMD

Выступая на конференции Wells Fargo на этой неделе, технический директор AMD Марк Пейпермастер (Mark Papermaster) сообщил, что в ближайшие шесть или восемь лет технологии изготовления транзисторов на полупроводниковых кристаллах будут продолжать совершенствоваться, поддерживая технический прогресс в сфере компьютерных вычислений. При этом важно отдавать себе отчёт, как добавил представитель AMD, что затраты производителей и разработчиков будут расти.

«Что ж, я бы посоветовал всем нам думать об этом так: инновации всегда находят путь, преодолевая препятствия. Вы все много раз слышали, что закон Мура замедляется. Закон Мура мертв. Но дело не в том, что не будет инновационных технологий производства транзисторов. На самом деле, я вижу захватывающую новую технологию производства транзисторов <..> на следующие 6-8 лет, и мне абсолютно ясно, что мы собираемся сделать для улучшения технологий производства транзисторов, но они будут дороже, — отметил Пейпермастер. — Вы можете удваивать плотность каждые 18–24 месяца, но при этом вы останетесь в том же ценовом диапазоне (прим. ред. — это и есть формулировка закона Мура). Ну, это уже не так. У нас будут инновации в транзисторной технологии. У нас будет больше плотности. У нас будет меньше [потребление] энергии, но это будет стоить дороже».

Согласно тому самому закону Мура, плотность размещения транзисторов можно удваивать каждые 18 или 24 месяца, а стоимость полупроводниковых компонентов при этом останется на прежнем уровне. Последнее утверждение теперь утратило актуальность, как сказал технический директор AMD. При этом компания уверена, что сможет внедрять инновации в технологии изготовления транзисторов, увеличивать плотность их размещения, снижать уровень энергопотребления. Но всё это будет стоить дороже. Важное значение будет иметь, по словам Пейпермастера, способ объединения компонентов.

Так называемые чиплеты, разумеется, в этом смысле выходят на передний план. Шина Infinity Band позволяет AMD объединять в один чип разнородные кристаллы, каждый из которых изготовлен с использованием тех литографических норм, которые оптимальны для конкретного случая с точки зрения баланса технических характеристик и стоимости. Компания сейчас располагает ассортиментом из примерно 40 разных чиплетов, выпускаемых подрядчиками, при этом она входит в рабочую группу, создающую отраслевой стандарт UCIe. По новому универсальному интерфейсу чиплеты в составе одной системы смогут обмениваться данными на высоких скоростях. У AMD после его внедрения появится возможность интегрировать в свои решения компоненты сторонних разработчиков. Провайдеры облачных услуг в этом случае могут стать клиентами подразделения AMD, разрабатывающего процессоры «под заказ».

Два важнейших американских разработчика полупроводниковой продукции разошлись во мнениях относительно Закона Мура. Гендиректор Intel Пэт Гелсингер (Pat Gelsinger) заявил на вчерашнем мероприятии, что выведенное полвека назад эмпирическое правило «живёт и здравствует», а соучредитель и глава NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) на прошлой неделе сообщил, что оно больше не действует.

Источник изображений: intel.com

Соучредитель и бывший глава Intel Гордон Мур (Gordon Moore) в середине шестидесятых сформулировал, а спустя десятилетие скорректировал правило, согласно которому число транзисторов на чипе удваивается каждые два года, повышая его производительность. Чтобы увеличить количество транзисторов на чипе, необходимо сделать их меньше, и это требует интенсивного развития технологий производства. В течение долгих лет Intel была лидером в области технологий производства, а её процессоры отличались самой высокой плотностью транзисторов в мире, однако в последние годы инициативу перехватили TSMC и Samsung, которые сегодня работают по нормам 5 нм, тогда как Intel по-прежнему работает с технологиями 7 и 10 нм.

Одной из ключевых целей Intel при Гелсингере является возврат к мировому лидерству в области производства чипов, и для этого компании придётся за четыре года совершить пять последовательных шагов в совершенствовании технологических норм, хотя в обычных условиях каждый из них занимал бы два года. Для этого активно разрабатываются новые технологии литографии, внедряется архитектура RibbonFET — они помогут и далее уплотнять транзисторы на чипе, а техпроцессы скоро начнут обозначаться уже не нанометрами, а их десятыми частями — ангстремами.

Выпуском чипов NVIDIA занимается TSMC, которая сегодня обладает самыми передовыми производственными технологиями и является крупнейшим в мире производителем чипов — NVIDIA же остаётся только разработка. Вместо Закона Мура глава компании Дженсен Хуанг говорит о стратегии «ускоренных вычислений»: наиболее востребованными задачами он сегодня считает технологии искусственного интеллекта, с которыми эффективнее прочих справляются графические процессоры NVIDIA. Но по сути «умершим Законом Мура» глава NVIDIA оправдал повышение цен на видеокарты нового поколения.

Похоже, рынок на стороне NVIDIA: за последние пять лет акции Intel подешевели на 28 %, тогда как ценные бумаги NVIDIA, напротив, подорожали более чем на 180 % — даже с учётом их падения на 58 % в 2022 году. Рыночная капитализация NVIDIA почти втрое превышает показатель Intel.

В рамках собрания акционеров компания Intel подтвердила намерение вернуть себе технологическое лидерство в сфере полупроводникового производства к началу 2025 года. Компания придерживается сформулированного ранее плана и за следующие три года собирается внедрить ещё четыре более совершенных техпроцесса.

Технологический процесс Intel 7 (ранее 10 нм Enhanced SuperFin) уже успешно применяется компанией и доказал свою состоятельность. По этой технологии производятся процессоры семейства Alder Lake, кроме того, она же будет использоваться для изготовления других продуктов, которые будет представлены в течение года. Например, в серверных процессорах Sapphire Rapids, анонс которых должен состояться в ближайшее время.

В дальнейшем для подстраховки и ускорения ввода в строй новых техпроцессов Intel будет придерживаться некоторого подобия принципа «тик-так»: новые технологии будут разрабатываться парами, в первом техпроцессе из пары будут вводиться новые подходы, во втором они будут оптимизироваться и оттачиваться. Первую пару составят технологии Intel 4 и 3, вторую — Intel 20A и 18A.

Следующий за Intel 7 техпроцесс, Intel 4 (ранее 7 нм), в котором компания впервые использует литографию в сверхжёстком ультрафиолете, будет готов к массовому производству уже во второй половине 2022 года. По предварительным расчётам, поставленным целям по 20-процентному повышению производительности транзисторов на ватт этот техпроцесс вполне отвечает. Этот техпроцесс будет использоваться для выпуска клиентских процессоров Meteor Lake.

Далее, более прогрессивная технология Intel 3, как ожидается, появится в распоряжении Intel уже во второй половине 2023 года. Основываясь на ней, компания рассчитывает на дополнительное улучшение показателя «производительность на ватт» на 18 %. Её планируется использовать для выпуска будущих процессоров семейства Xeon.

Два следующих техпроцесса, знаменующих вхождение Intel в «эру ангстремов», по актуальному плану должны быть освоены в течение 2024 года. В этих техпроцессах Intel внедрит две принципиально новые технологии — транзисторы RibbonFET с каналом, окружённым затвором с четырёх сторон, и подведение питания с нижней стороны полупроводникового кристалла PowerVia. Ввод в строй технологии Intel 20A запланирован на первую половину 2024 года, и она должна обеспечить 15-процентный прогресс в производительности транзисторов в пересчёте на ватт. Последующий техпроцесс Intel 18A, как предполагается, будет освоен до конца того же года и позволит поднять эффективность полупроводниковых устройств ещё на 10 %.

Одновременно с техпроцессами Intel будет совершенствовать технологии компоновки многокристальных решений OMIB и Foveros. Уже в течение 2022 года некоторые из них найдут применение в серверных процессорах Sapphire Rapids и ускорителях вычислений Ponte Vecchio. Также до конца текущего года Intel обещает начать опытное производство потребительских процессоров Meteor Lake, где также будет использоваться многочиповый (тайловый) дизайн.

Более совершенные реализации технологии компоновки Foveros — Foveros Omni и Foveros Direct — предполагается внедрить в течение 2023 года.

Планы развития технологического производства Intel опираются на желание компании продолжать следовать закону Мура, удваивая число транзисторов в полупроводниковых устройствах каждые 24 месяца. В озвученной на мероприятии трактовке это означает, что к концу десятилетия Intel сможет предложить клиентам процессоры, имеющие в своём составе примерно 1 трлн транзисторов. В достижение этой цели компании должен помочь весь спектр технологических средств, включая EUV-литографию с высокой числовой апертурой, транзисторы RibbonFET, система питания PowerVia, а также новые способы компоновки полупроводниковых кристаллов Foveros Omni и Direct.

Ещё на квартальной отчётной конференции генеральный директор Intel Патрик Гелсингер (Patrick Gelsinger) ссылался на готовность компании освоить пять новых техпроцессов за четыре года и к середине десятилетия обойти конкурентов. На вчерашнем мероприятии, частично приуроченном к анонсу процессоров Alder Lake, он заявил о способности Intel не только вернуть закон Мура в прежнее русло, но и ускорить его действие.

Источник изображения: PCWorld

Напомним, под законом Мура понимается эмпирическое правило, сформулированное в конце шестидесятых годов одним из основателей корпорации Intel Гордоном Муром (Gordon Moore). Это правило гласит, что плотность размещения транзисторов на единице площади кристалла полупроводникового компонента удваивается каждые полтора–два года. К 2015 году тогдашнее руководство Intel в лице Брайана Кржанича (Brian Krzanich) вынуждено было признать, что действие закона Мура замедляется, и теперь нормой считается удвоение плотности размещения транзисторов раз в два с половиной года.

Патрик Гелсингер теперь заявляет, что «закон Мура жив и чувствует себя хорошо». По словам действующего главы Intel, в ближайшие десять лет компания не только будет придерживаться этого правила, но и ускорит его действие. «Мы даже изогнём кривую, заставляя (плотность размещения транзисторов) удваиваться быстрее, чем раз в два года. И мы не успокоимся, пока не переберём всю периодическую таблицу элементов. Мы, как проводники закона Мура, будем без устали двигаться по пути инноваций в магии кремния», — заявил Патрик Гелсингер на этой неделе.

Подобная уверенность зиждется на нескольких инновациях. Прежде всего, к середине текущего десятилетия Intel рассчитывает освоить сверхжёсткую ультрафиолетовую литографию с высоким значением числовой апертуры (High NA EUV). Компания ASML литографическое оборудование нового поколения первой начнёт поставлять именно Intel. Во-вторых, компания рассчитывает перейти на использование новой структуры транзисторов, RibbonFET, а также компоновки PowerVia, предусматривающей размещение силовой разводки с оборотной стороны кристалла. Наконец, по словам Гелсингера, не следует умалять роль прогрессивной компоновки самих кристаллов в упаковке чипа. Технология Foveros Omni позволяет наращивать кристаллы ярусами один над другим, повышая результирующую плотность размещения транзисторов на единице площади.

Глава Intel также убеждён, что никому из конкурентов не удастся двигаться подобными темпами, и компания будет обладать «комфортным преимуществом» над всеми остальными игроками отрасли. Подобные усилия потребуют огромных капитальных затрат, и не все инвесторы разделяют оптимизм нынешнего руководства Intel. Во всяком случае, на ближайшие два или три года придётся смириться со снижением нормы прибыли.

Эмпирическое правило, сформулированное одним из основателей Intel Гордоном Муром (Gordon Moore), гласит, что количество транзисторов на единице площади процессора удваивается каждые два года. NVIDIA пытается задать тенденцию, согласно которой производительность вычислительных систем будет каждые два года увеличиваться в два с лишним раза.

Источник изображения: HWRIG

Основатель NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) любит повторять, что так называемый «закон Мура» мёртв. Его собственный закон, по мнению авторов публикации на страницах The Wall Street Journal, опережает данное правило по темпам увеличения производительности вычислительных систем. С 2012 года производительность компонентов NVIDIA в вычислениях, применяемых в системах искусственного интеллекта, увеличилась в 317 раз, по данным компании. Другими словами, производительность подобных систем на основе аппаратных компонентов NVIDIA ежегодно увеличивалась в среднем более чем в два раза.

Покупка Arm, по мнению участников рынка, позволит NVIDIA усилить прогресс в сфере искусственного интеллекта за счёт периферийных вычислений: часть критически важных для быстродействия системы операций будет выполняться непосредственно конечным устройством, а не передаваться на сервер. В тандеме с развитой серверной экосистемой это позволит NVIDIA существенно продвинуться в создании новых сфер применения искусственного интеллекта.

Для NVIDIA важен и баланс вычислительных ресурсов, ведь если графические процессоры существенно опередят центральные по уровню быстродействия, то «слабое звено» будет сдерживать развитие всей системы. Покупка Arm позволит ей заполучить ценный актив в сфере разработки центральных процессоров. Вице-президент Arm по маркетингу Стив Родди (Steve Roddy) ожидает, что так называемый «закон Хуанга» исчерпает себя за десять лет, но за это время отраслью будет достигнут существенный прогресс в развитии систем искусственного интеллекта.

Корпорация Intel готова приложить максимум усилий, чтобы после освоения массового производства 7-нм продуктов вернуть так называемый закон Мура к прежним темпам увеличения плотности размещения транзисторов — в два раза каждые два года. В этом разработчикам поможет применение чиплетов, как считают эксперты Omdia.

Источник изображения: AMD

В этом году должно исполниться 55 лет со дня появления эмпирического правила, позже получившего обозначение «закон Мура» в честь одного из основателей Intel, Гордона Мура (Gordon Moore). Это правило за время своего существования подвергалось нескольким коррекциям, но в своей актуальной трактовке гласит, что количество транзисторов на единице площади полупроводникового изделия удваивается каждые два или два с половиной года. В последние годы поддерживать прежний ритм мешали физические барьеры, возникшие на пути дальнейшей миниатюризации транзисторов. Но специалисты Omdia убеждены, что переход на использование компоновки из нескольких небольших кристаллов (чиплетов) позволит полупроводниковой отрасли вернуть закон Мура в прежнее русло.

Источник изображения: Omdia

Микропроцессоры станут самыми активными пользователями данного компоновочного подхода, соответствующие решения давно применялись как Intel, так и AMD, просто с течением времени они станут обязательными при разработке сложных и производительных продуктов. Если в 2018 году ёмкость рынка микропроцессоров с чиплетами оценивалась в $452 млн, то к 2024 году она достигнет $2,4 млрд. Более того, весь рынок полупроводниковых компонентов с использованием чиплетов к тому времени вырастет до $5,8 млрд. Это в девять раз больше, чем насчитывалось в 2018 году.

Центральным процессорам применение чиплетов необходимо в первую очередь, поскольку они за счёт этого смогут поддерживать прежние темпы увеличения производительности. Со временем, однако, на такую компоновку будут переходить и другие продукты. Доля микропроцессоров в семействе продуктов с чиплетами сократится с 96 % в 2020 году до 92 % в 2024 году. К 2035 году, рынок компонентов на основе чиплетов достигнет ёмкости в $57 млрд, как ожидают эксперты Omdia. К тому времени основным видом продуктов с компоновкой данного типа станут разнородные вычислительные решения, включая изделия для сегмента Интернета вещей и искусственного интеллекта.

Препятствия на пути развития полупроводникового производства уже напоминают не барьеры, а высоченные стены. И всё же отрасль шаг за шагом движется вперёд, следуя выведенному 55 лет назад эмпирическому закону Гордона Мура. Пусть с оговорками, но число транзисторов в чипах продолжает удваиваться каждые два года.

Чтобы не быть голословными аналитики компании IC Insights опубликовали отчёт о состоянии рынка полупроводников в 2020 году. Отчёт включает историю развития основных рынков с 71 года: памяти DRAM, памяти NAND-флеш, микропроцессоров и графических процессоров.

Аналитики отмечают, что за последние 10–15 лет такие факторы, как энергопотребление и ограничения масштабирования начали сильно влиять на темпы роста числа транзисторов в некоторых интегральных продуктах. Но в целом новые разработки и новые подходы к проектированию и производству чипов позволяют рассчитывать на дальнейшее сохранение закона Мура.

Так, количество транзисторов в микросхемах оперативной памяти DRAM в начале 2000-х годов увеличивалось со средней скоростью примерно на 45 % в год, но с 2016 года замедлилось до 20 % в год после появления 16-Гбит кристаллов памяти компании Samsung. Стандарт DDR5, который все еще дорабатывается JEDEC, будет включать в себя монолитные устройства объёмом 24 Гбит, 32 Гбит и 64 Гбит, а это новый рывок вперёд.

Ежегодный рост плотности флеш-памяти до 2012 года оставался на уровне 55–60 % в год, но с тех пор снизился до 30–35 % в год. Для планарных кристаллов флеш-памяти наивысшая плотность составила 128 Гбит (данные по январь 2020 года). Зато максимальная плотность чипа 3D NAND достигла 1,33 Тбит для 96-слойной памяти с записью четырёх бит в каждую ячейку (QLC). До конца года обещают появиться 1,5-Тбит 128-слойные микросхемы, с последующим ростом ёмкости до 2 Тбит.

Количество транзисторов в микропроцессорах Intel для ПК до 2010 года росло примерно на 40 % в год, но в последующие годы этот показатель снизился вдвое. Количество транзисторов продолжает расти в серверных процессорах компании. Этот рост приостановился в середине-конце 2000-х годов, но затем снова продолжился со скоростью около 25 % в год. Intel перестала раскрывать детали подсчета транзисторов в 2017 году.

Количество транзисторов в прикладных процессорах компании Apple в смартфонах iPhone и планшетах iPad с 2013 года увеличивалось на 43 % в год. Этот показатель включает в себя данные о процессоре A13 с его 8,5 миллиардами транзисторов. Ожидается, что в первой половине 2020 года Apple представит iPad Pro на базе нового процессора A13X.

Высокопроизводительные графические процессоры компании NVIDIA имеют предельно высокое количество транзисторов. В отличие от микропроцессоров, графические процессоры с их высочайшей степенью архитектурного параллелизма не содержат значительного объема кеш-памяти, что оставляет очень много места для логики (транзисторов). Дальнейший акцент компании на ускорители для машинного обучения и ИИ только подогреет данную тенденцию.

Основатель и бессменный глава NVIDIA Дженсен Хуанг (Jen-Hsun Huang) является одним из сторонников утверждения о «смерти» так называемого «закона Мура». На квартальной конференции он объяснил, почему современные центральные процессоры становятся дороже и прожорливее.

Источник изображения: NVIDIA

Генеральный директор компании начал со слов о том, что масштабирование производительности современных центральных процессоров значительно замедлилось, и причины этого явления носят не маркетинговый, а физический характер. По его мнению, центральные процессоры уже исчерпали возможность дальнейшего повышения быстродействия без увеличения себестоимости или энергопотребления. Даже по деятельности Intel становится понятно, что кристаллы процессоров становятся крупнее, и в рамках прежнего техпроцесса это увеличивает их себестоимость, а также ограничивает способность Intel выпускать больше процессоров с одной кремниевой пластины.

Естественно, весь этот разговор Дженсен Хуанг начал не для того, чтобы обойти вниманием подход возглавляемой им компании к увеличению производительности современных вычислительных систем. Как можно догадаться, ключом к дальнейшему процветанию отрасли Хуанг считает использование графических процессоров. А вот перспективы ускорителей с фиксированной функциональностью он предсказуемо считает туманными. Гибкость графических процессоров и сопутствующего программного обеспечения — вот что, по его словам, является определяющим фактором успеха компонентов NVIDIA в сфере ускорения вычислений.

Вышедшее на прошлой неделе интервью с Джимом Келлером (Jim Keller), руководящим разработкой процессорных архитектур в Intel, позволило снять опасения некоторых участников рынка по поводу скорой кончины закона Мура. Масштабировать полупроводниковые транзисторы можно будет ещё лет двадцать, как считает этот представитель Intel.

Источник изображения: YouTube, Lex Fridman

Джим Келлер признался, что уже много раз слышал пророчества по поводу скорого прекращения действия так называемого закона Мура — эмпирического правила, которое в прошлом веке сформулировал один из основателей Intel Гордон Мур (Gordon Moore). В одной из начальных формулировок правило гласило, что количество размещаемых на единице площади полупроводникового кристалла транзисторов способно удваиваться каждые год–полтора. Сейчас, по словам Келлера, коэффициент масштабирования за период в два года составляет около 1,6. Это не такой уж большой регресс по сравнению с исходной трактовой закона Мура, но и прироста быстродействия он сам по себе не гарантирует.

Сейчас Келлер старается не переживать по поводу приближения физического барьера в развитии полупроводниковой вычислительной техники и призывает всех к тому же. По его словам, инженеры и учёные найдут способ создавать транзисторы, чьи линейные размеры не превысят десятка атомов в каждом из трёх измерений. Современные транзисторы измеряются тысячами атомов, поэтому их размеры ещё можно уменьшить в сотню раз, как минимум.

Технически это сделать будет не так просто, для заметного прогресса в литографии нужны усилия специалистов во многих дисциплинах, от физики до металловедения. И всё же, представитель Intel верит, что ещё лет десять или двадцать закон Мура будет актуален, а производительность вычислительной техники будет расти стабильными темпами. Прогресс позволяет делать компьютеры всё более компактными, это меняет способы взаимодействия с ними и всю человеческую жизнь. Если бы технологии изготовления полупроводниковых транзисторов когда-либо и «упёрлись в стену», как считает Келлер, разработчикам программного обеспечения пришлось бы кардинально переработать алгоритмы, чтобы добиться прироста быстродействия при имеющемся «железе». Пока же есть возможность развиваться экстенсивным путём, хотя перфекционистам это и не понравится.

На прошлой неделе из уст главы Intel звучали очередные обещания вернуть «закон Мура» на старые рельсы, что позволило бы переходить на новый техпроцесс каждые два или два с половиной года. На конференции IEDM выяснилось, что Intel выбирает более высокий темп для смены техпроцессов на ближайшие десять лет. Например, если 5-нм техпроцесс будет освоен к 2023 году, то к 2029 году компания рассчитывает перейти к 1,4-нм технологии.

Источник изображения: AnandTech

Представителю сайта AnandTech удалось запечатлеть этот слайд из презентации Intel на конференции IEDM. Становится очевидно, что из диапазона от двух до двух с половиной лет компания выбрала более амбициозный вариант при определении периодичности смены техпроцессов. Как ранее заявляли представители процессорного гиганта, архитектурные решения не должны быть привязаны к конкретной ступени литографии. На указанном слайде этот принцип реализован в возможности перенести продукты, изначально запланированные к выпуску по более прогрессивной технологии, «на шаг назад» к предыдущему техпроцессу.

Внедрить литографию со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV), как уже отмечалось, компания Intel собирается в 2021 году в рамках 7-нм техпроцесса. Глава Intel недавно подтвердил, что первый 7-нм продукт выйдет в конце 2021 года. В своём развитии каждый техпроцесс должен пройти три фазы. Через год после дебюта должна появляться вариация с одним «плюсом» в условном обозначении, через два года — с двумя «плюсами». В тот же год должен реализоваться переход на более продвинутые литографические нормы, их освоение будет идти с перекрытием.

Что характерно, на 2023 год намечено освоение неких новых «литографических функций». Если учесть, что этот период в графике Intel ассоциируется с освоением 5-нм технологии, а ASML к тому моменту начнёт поставки литографических сканеров нового поколения, то речь наверняка идёт о EUV-литографии с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV). Кроме того, на пути к освоению 1,4-нм техпроцесса Intel вынуждена будет экспериментировать с использованием новых материалов и полупроводниковых структур. Главное, чтобы в конце этого пути компания не стала жертвой своих амбиций в очередной раз, как это случилось в истории с 10-нм техпроцессом.

Переход на новые ступени литографии уже не приносит былого улучшения частотного потенциала процессоров. AMD призывает более не рассчитывать на данный фактор. Зато в компании не исключают, что рост количества процессорных ядер в потребительском секторе продолжится, и никаких объективных препятствий для этого нет. Скоростные интерфейсы позволят масштабировать производительность системы «по горизонтали».

Источник изображения: AMD, Reddit

В интервью сайту Tom’s Hardware технический директор AMD Марк Пейпермастер (Mark Papermaster) признался, что наблюдает замедление так называемого «закона Мура», определявшего темпы развития микроэлектронной промышленности с шестидесятых годов прошлого века. Сформулированное одним из основателей Intel Гордоном Муром (Gordon Moore) эмпирическое правило гласило, что плотность размещения транзисторов на единице площади полупроводникового кристалла удваивается каждые два года. Интервал сперва растянулся с полутора лет до двух с половиной, но отрасль столкнулась и с другой проблемой — быстродействие транзисторов перестало увеличиваться прежними темпами.

Марк Пейпермастер утверждает, что новые техпроцессы в наши дни обеспечивают либо очень малый прирост частотного потенциала процессоров, либо вообще его не предлагают. Рассчитывать в прогнозировании роста производительности процессоров приходится на компоновочные и архитектурные решения. В этом смысле важно внедрение скоростных интерфейсов типа Infinity Fabric, которые помогают эффективно интегрировать разные кристаллы на одной подложке. Кроме того, стандарты типа DDR5 и PCI Express 5.0 тоже попадают в «горизонт планирования» AMD.

Прозвучал в интервью и вопрос о целесообразности дальнейшего увеличения количества процессорных ядер в потребительском сегменте. Объективных препятствий для этого нет, как пояснил технический директор AMD, но важно понимать, что программное обеспечение должно эффективно использовать потенциал всех ядер. На его оптимизацию уходит какое-то время, и для AMD с этой точки зрения важно «не бежать впереди паровоза», а предлагать нужное количество ядер в тот момент, когда они уже будут востребованы программной экосистемой. Напомним, что в следующем году AMD выведет на рынок процессор Ryzen Threadripper 3990X с 64 ядрами, который хоть и обзаведётся впечатляющим ценником, номинально будет относиться к настольном сегменту.

На открытии Hot Chips в этом году слово будет предоставлено не только главе AMD Лизе Су (Lisa Su), но и ведущему научному специалисту TSMC Филиппу Вону (Philip Wong), который расскажет о перспективах освоения литографических норм за пределами 2 нм. Глава маркетинговой службы TSMC Годфри Чен (Godfrey Cheng) решил предварить это выступление рассказом о методах сохранения действия так называемого «закона Мура» на страницах корпоративного блога. В интерпретации TSMC это эмпирическое правило звучит так: количество транзисторов на полупроводниковом кристалле неизменной площади удваивается примерно раз в два года.

По мнению представителей TSMC, трёхмерная компоновка определённо имеет свои перспективы, но не следует списывать со счетов и компоновочные решения, относимые к так называемому поколению 2,5D. Системы искусственного интеллекта и начинка будущих «робомобилей» — все эти компоненты потребуют максимально быстрого обмена информацией между процессорами и памятью, поэтому нужно не только создавать более скоростные интерфейсы и типы памяти, но и приближать микросхемы памяти к процессорам на уровне компоновки. Как это сделать, уже продемонстрировали и Intel, и NVIDIA, и AMD. Они используют кремниевый мост, который соединяет не только разнородные процессоры, но и микросхемы памяти типа HBM2.

Источник изображения: TSMC

Компания TSMC продемонстрировала прототип самого большого в мире кремниевого моста. Он имеет площадь 2500 мм², позволяя разместить два дискретных процессора площадью по 600 мм² каждый, а также восемь микросхем памяти типа HBM. Если же вернуться к идее трёхмерной компоновки, то TSMC считает возможным использование различных материалов для создания монолитных кристаллов с разнородными функциональными блоками. Они могут располагаться друг над другом в несколько ярусов, перемежаясь «слоями памяти». Эту же идею в адаптированном варианте озвучивает и корпорация Intel, которая намеревается при помощи пространственной компоновки Foveros выпускать не только мобильные процессоры Lakefield с высокой степенью интеграции, но и дискретные графические процессоры Intel Xe.

Исполнительный директор AMD Лиза Су (Lisa Su) на ежегодном собрании акционеров уже заявила, что передовые компоновочные решения вроде использования «чиплетов» станут одной из основ успеха компании в будущем. Технический директор Марк Пейпермастер (Mark Papermaster) в очередном ролике серии The Bring Up, созданном пресс-службой AMD, уделил особое внимание актуальным проблемам, возникающим перед полупроводниковой отраслью.

Марк заявил, что на протяжении предыдущих пятидесяти лет существования AMD перед отраслью регулярно возникали барьеры, которые первоначально казались непреодолимыми, но инженеры всегда находили выход из сложившейся ситуации. Именно трудности заставляют человека изобретать и находить инновационные решения проблем. В то же время, как отмечает технический директор, именуемое «законом Мура» эмпирическое правило больше не работает только за счёт развития полупроводников, и увеличивать производительность вычислительной техники больше нельзя только за счёт этого фактора.

«Все в этой отрасли упираются в одни и те же законы физики», — поясняет Марк Пейпермастер. Каждая новая ступень литографической технологии становится дороже, используется дольше и уже не приносит прежнего прироста быстродействия транзисторов. Компания AMD решила использовать инновационные компоновочные решения, чтобы сохранить темпы увеличения производительности процессоров. Параллельно с разработкой процессорной архитектуры Zen на протяжении нескольких лет шла разработка скоростного интерфейса Infinity Fabric, в результате компания пришла к компоновочному подходу, обозначаемому как «чиплет» (от англ. chiplet — маленький кремниевый кристалл). Пейпермастер счёл возможным заявить, что именно AMD начнёт первой в отрасли применять «чиплеты».

Источник изображения: Hardwarezone

Этому амбициозному заявлению можно подобрать контраргументы. Во всяком случае, несколько кристаллов на одной подложке можно было встретить у компании Intel ещё в 2006 году, когда она начала выпуск 65-нм процессоров Pentium D семейства Presler. Позже, в 2010 году, уже в рамках семейства Clarkdale компания Intel объединяла на одной подложке разнородные кристаллы, которые выпускались по 32-нм и 45-нм техпроцессу соответственно. Наконец, недавнее сотрудничество Intel и AMD по созданию процессоров Kaby Lake-G характеризовалось появлением на одной подложке с «родным» кристаллом Intel дискретного графического решения AMD. По степени «разнородности дизайна» такой гибрид мало с чем мог поспорить.

Источник изображения: Hot Chips

Нельзя сказать, что и NVIDIA пренебрегает этой идеей, хотя её основатель и бессменный руководитель при первой возможности старается рассказать, какие у этого разработчика получаются сложные и крупные монолитные кристаллы. Во-первых, у исследовательского подразделения NVIDIA имеется научная работа, посвящённая сравнению монолитной компоновки и многокристальной, и преимущество признано за последней. Во-вторых, на августовской конференции Hot Chips компания NVIDIA будет при поддержке партнёров рассказывать о прототипе ускорителя нейронных сетей, имеющем многокристальную компоновку.

Следует отметить, что идею своего дальнейшего прогресса в сфере освоения передовых техпроцессов AMD не отметает, и перед рассказом о своих методах работы со студентами продемонстрировала муляж воображаемого 2-нм графического процессора. Демонстрацию этого коллажа предваряло упоминание о «процессоре Ryzen тридцатого поколения». Сегодняшняя молодёжь займётся разработкой продуктов будущего, поэтому кадровой работе на этом направлении в компании уделяется особое внимание.