Когда в 2011 году Марк Пейпермастер возглавил техническое руководство AMD, компания по производству чипов боролась за выживание. Руководство компании уже распродало собственные заводы, и к тому времени каждое десятое рабочее место было сокращено.
В любой кризис AMD совершал кардинальную ошибку: сокращала инновации. Но в данном случае компании из Кремниевой долины повезло. В силу необходимости Пейпермастер решил начать с чистого листа, что было неслыханно для отрасли. Электротехник и его команда разработали чипы, основанные на модульном принципе.
Когда AMD начала использовать новый метод «чиплеты», конкуренты насмехались над ним, называя «цыплятами», вспоминает Пейпермастер. Но менеджер точно знал, что делает. В конце концов, несколькими годами ранее он вывел на рынок iPhone, который стал самым успешным смартфоном в мире на сегодняшний день.
Чиплеты становятся все более популярными в связи с бумом искусственного интеллекта.
Подобно кирпичикам Lego в детской спальне, в них собраны самые разные электронные элементы. Простая идея, но технологически сложная. Этот процесс позволяет производить мощные и многофункциональные чипы с меньшими затратами. Питер Финтл, эксперт по микросхемам из консалтинговой компании Capgemini, убежден: «Тенденция во всей отрасли движется в направлении чиплетов».
И в самом деле, больше нет признаков отставания. Тем временем все конкуренты последовали этому примеру – от заклятого соперника Intel до производителя iPhone, Apple, и Nvidia, самой дорогой компании по производству чипов в мире.
Именно чиплеты делают искусственный интеллект (ИИ) с его приложениями, требующими больших вычислений, такими как ChatGPT, доступным. Более того, этот инновационный подход сделает ИИ неотъемлемой частью смартфонов в будущем.
Технология Пейпермастера не только спасла AMD, но и проложила путь к революционной технологии для всей полупроводниковой промышленности. «Интерфейсы между чиплетами имеют решающее значение для цепочки поставок, – говорит Михаэль Шиффер из Института надежности и микроинтеграции Фраунгофера (IZM) в Берлине.
Этот процесс также помогает полупроводниковой промышленности развиваться еще быстрее». До сих пор наблюдатели рынка предполагали, что к концу десятилетия доходы отрасли удвоятся и достигнут одного триллиона долларов.
Ондрей Буркацкий, эксперт по микросхемам из McKinsey: «Многие компании в отрасли предполагают, что бум ИИ приведет к дальнейшему росту оборота до 1,1 – 1,2 триллиона долларов к 2030 году. Это на 100-200 миллиардов больше, чем прогнозировалось ранее».
SoC: выглядит просто, но на самом деле очень сложно.
Удивительно то, что базовая концепция Чиплетов очень проста. Как и в Lego, дизайнеры собирают строительные блоки разных размеров и функций. Однако это не пластиковые кубики, а отдельные маленькие микросхемы – чиплеты.
Эти электронные компоненты располагаются как рядом, так и друг на друге. Таким образом, они образуют так называемую «систему на кристалле», или сокращенно SoC. Это также напоминает Lego. Тонкие детали на разноцветных блоках – это как тонкие провода на микросхемах.
Как бы ни был прост принцип Lego, перенести его на электронные компоненты поначалу сложно. Конструкция очень сложна, необходимо обеспечить быструю и стабильную связь между чиплетами.
На протяжении десятилетий подобными проблемами занимались в основном исследователи в университетах и институтах. Промышленность этим не занималась. Им удавалось регулярно увеличивать производительность чипов – при тех же затратах на производство.
Закон Мура достигает своего предела.
Долгое время действовал так называемый «закон Мура». В 1965 году инженер, Гордон Мур, сформулировал легендарное правило в журнале «Электроника». Согласно этому правилу, количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года, а вместе с ним и вычислительная мощность. Спустя некоторое время Мур стал одним из основателей Intel и сформировал компанию, долгое время занимая пост ее генерального директора.
Этого удалось достичь благодаря тому, что разработчики чипов разрабатывали все более мелкие транзисторы. Они потребляют меньше энергии, быстрее вычисляют и позволяют создавать чипы более компактных размеров. Самые современные полупроводники сейчас содержат 100 миллиардов транзисторов.
Однако закон Мура постепенно достигает своих физических пределов. Структуры стали настолько малы, что в промышленности теперь все измеряется в нанометрах. Самые сложные чипы производятся по трехнанометровому техпроцессу, и переход на два нанометра неминуем.
Размером с ноготь, который растет в секунду.
Чтобы понять, насколько сложным является это миниатюрное производство, можно привести следующее сравнение: один нанометр – это примерно столько же, сколько ноготь отрастает за секунду. Маленький размер приводит к проблемам, например, ток с трудом поддается контролю.
Производственные затраты также растут. Машины голландской компании ASML, необходимые для производства самых маленьких структур размером менее семи нанометров, уже стоят 150 миллионов евро или больше за штуку. Для следующего поколения цена удвоится.
Оборудование – не единственная проблема, утверждает научный сотрудник Фраунгофера, Михаэль Шиффер. «Чем меньше узлы, тем дороже дизайн чипа». При переходе от семи к пяти нанометрам затраты выросли с 300 до 500 миллионов долларов. «Это беспокоит компании», – сказал Шиффер.
Чиплеты можно использовать для создания идеальных чипов для искусственного интеллекта.
Бум искусственного интеллекта также играет на руку процессу создания чиплетов: по мнению исследователей рынка из Trendforce, для искусственного интеллекта и автономного вождения необходимо объединить чипы с различными функциями и производственными процессами в единую систему. Только так можно удовлетворить требования к высокой вычислительной мощности, скорости передачи данных и энергоэффективности. Поэтому недостаточно просто разместить больше транзисторов на полупроводнике.
Именно здесь на помощь приходят чиплеты. Идея заключается в том, чтобы разделить один большой чип на более мелкие части и соединить их вместе. Это связано с тем, что даже большие чипы часто делятся на различные функциональные области внутри и образуют систему на кристалле (SoC).
Например, разработчики используют центральные процессоры, или CPU, в качестве чиплетов. Они являются мозгом каждого компьютера. Разработчики чипов также используют GPU, то есть графический процессор. Кроме того, может быть добавлен AI-ускоритель для запуска AI-приложений.
В состав SoC также входят чипы памяти, которые специалисты называют памятью с высокой пропускной способностью. В отличие от других полупроводников, их можно ставить друг на друга. Это позволяет разместить больший объем памяти на той же площади.
Такой тип SoC используется, например, для обучения больших языковых моделей, таких как ChatGPT, на сетевых компьютерах, известных как серверы. Менее мощные, но гораздо более компактные SoC можно встретить в смартфонах, например в последнем iPhone, или в персональных компьютерах и ноутбуках.
Производство микросхем имеет ряд преимуществ.
Однако не все компоненты такой SoC должны быть изготовлены с использованием новейших технологий и на одной пластине, так называемой подложке. Правило гласит: чем больше места занимает чип, тем выше стоимость его производства. Поэтому стоит разделить чип на части.
Это имеет смысл и по другой причине. Если в процессе производства возникают дефекты, приходится выбрасывать значительную часть пластины из большого чипа. Это может быть дорого, поскольку производство включает сотни отдельных этапов обработки. С другой стороны, при использовании чиплетов в лучшем случае затрагивается лишь небольшая часть пластины.
Еще одно преимущество: при внедрении новых производственных процессов выход продукции изначально ниже, чем при использовании старых процессов. Поэтому производство чипов большой площади с использованием инновационных технологий является рискованным и дорогостоящим. С другой стороны, при использовании чиплетов проблемы с производством возникают реже. Поэтому перейти на более современные решения проще. Ведь с их помощью производится только часть SoC.
Есть и еще один аргумент в пользу микросхем. По всему миру существуют огромные мощности на заводах, которые уже не являются передовыми. Производство там дешевле. По словам эксперта Шиффера из Фраунгофера, существует даже технологический узел, который гарантирует самые низкие затраты.
В настоящее время производство дешевле всего при семи нанометрах, что измеряется в центах на миллион транзисторов. Поэтому следует использовать как можно меньше структур других размеров. Чиплеты можно использовать для комбинирования размеров транзисторов и, таким образом, снижения стоимости производства.
«Демократизация разработки чипов».
Сэм Наффзигер сыграл ведущую роль в разработке метода чиплета в AMD. Менеджер не удивлен, что конкуренты теперь следуют его примеру. «У нас есть оптимизированная по стоимости и очень гибкая платформа, которая совершенно недостижима при обычном проектировании SoC».
Одно из главных преимуществ заключается в том, что самые разные варианты SoC могут быть разработаны без особых дополнительных усилий. Подобно тому, как модель Lego можно перестроить за несколько простых шагов. Это было очень важно в самом начале. У AMD просто не было денег на разработку отдельных чипов для разных областей применения.
По мнению экспертов, чиплеты также предлагают стартапам и компаниям, не входящим в отрасль, как возможность недорого проектировать SoC в соответствии со своими пожеланиями. Ведь достаточно спроектировать свой собственный чиплет и купить остальные компоненты с полки. Поэтому научный сотрудник Фраунгофера, Эрик Юнг, говорит о «демократизации разработки чипов».
AMD обошел Intel.
Однако у этой концепции есть не только преимущества. Разработка SoC с нуля из чиплетов обходится дороже, чем проектирование одного чипа. Специалист из Фраунгофера, Шиффер: «Инструментов для проектирования чиплетов все еще недостаточно». Кроме того, сложно соединить отдельные компоненты между собой. Это связано с тем, что данные должны передаваться как можно быстрее и с минимальными дополнительными затратами энергии.
Поэтому чиплеты соединяются друг с другом с помощью так называемых интерпозеров и подложек. Интерпозеры – это тонкие провода, а подложки – несущий слой на печатной плате. Все это повышает цену SoC.
Если все микросхемы поставляются одной компанией, они могут без проблем взаимодействовать друг с другом. С другой стороны, если соединяются компоненты разных производителей, все становится сложнее. Поэтому срочно требуются стандартизированные правила. Научный сотрудник Фраунгофера, Юнг: «Стандарты чрезвычайно важны для того, чтобы использовать весь потенциал чиплетов». В настоящее время два стандарта борются за благосклонность компаний и разработчиков микросхем.
Ставка на чиплеты определенно окупилась для AMD: сейчас компания стоит на фондовом рынке около 250 миллиардов долларов – рост примерно в 60 раз с 2011 года. И это почти так же важно для AMD: Intel – его давний мощный конкурент, стоит всего 150 миллиардов долларов.
Но не только инвесторы получают свои деньги. Пейпермастер начал работать в AMD 13 лет назад в период сокращения персонала. Сегодня в компании работает более чем в два раза больше сотрудников.