Inginerii din China au creat un nou cip analog, rezolvând o problemă veche de 100 ani şi având un consum de energie de 100 ori mai mic

În prezent, aproape orice produs electronic care ne înconjoară se bazează pe cipuri cu semiconductoare, de la cele mai simple care asigură funcţii elementare până la procesoare grafice de putere imensă. În ultimii ani, solicitările de putere au crescut enorm, mai ales datorită inteligenţei artificiale, iar astfel un simplu rack cu procesoare grafice din centrele de date cele mai performante poate ajunge să consume 120 kW putere netă, fără a lua în calcul pierderile. Iar centrele de date mari, de forma unor campusuri, au ajuns să aibă cifre de consum comparabile cu cele ale unor ţări mai mici, fapt care vine la pachet cu multe provocări energetice şi de limitări de scalare, aşa cum scriam acum două zile într-un articol care analiza aceste provocări, dar şi soluţia de a trece la arhitectura de 800V pentru a reduce din consum şi pierderi. Ei bine, în acest context al tendinţelor globale, inginerii din China au creat un nou cip analog, care rezolvă o problemă veche de 100 ani a limitărilor analogice, care e de 1.000 ori mai puternic decât unul din cele mai puternice procesoare NVIDIA şi care consumă de 100 ori mai puţină energie. Sună excepţional de intrigant, şi e şi mai curios să întrăm un pic în profunzimea acestor calităţi anunţate.

Cum e posibil ca un cip să fie analog? Cum e posibil ca acesta să fie mai rapid decât cele actuale, atât de complexe, dezvoltarea cărora a avansat atât de mult în ultimii ani? Pentru a înţelege asta, e nevoie să intrăm iniţia în construcţia a ceea ce înseamnă semiconductori şi cipuri.

Semiconductoarele sunt, în esenţă, un tip de material, nu un produs finit, iar cipurile, sau circuitele integrate, sunt produsul care conţine la bază semiconductoare. De multe ori aceste noţiuni sunt tratate aproape ca sinonime, însă dacă e să vorbim mai profund şi mai tehnic, de fapt semiconductoarele sunt materialele de baza, iar cipurile sunt elementele alea mici, negre, cu funcţionalităţi avansate, construite cu aceste materiale.

Materialele sunt numite semiconductoare pentru că au calităţi aflate undeva la mijlocul dintre un izolator şi un conductor. În rol de semiconductoare pot servi materiale precum nitrura de galiu (GaN), siliciul (Si) sau carbura de siliciu (SiC). Aceste materiale semiconductoare sunt amplasate pe plachete de siliciu, despre care vorbeam în articolul de ieri, cu criza acutizată a semiconductoarelor Nexperia. Prin câteva procese repetitive — precum litografia, gravarea, doparea şi depunerea controlată, utilajele de producţie a formează schema unui circuit integrat, cu transistori, condensatori şi interconexiuni, direct pe suprafaţa plachetei de siliciu. Cipurile moderne pot avea nevoie de repetarea a până la 100 de ori a acestui lanţ de procese până ia naştere circuitul integrat, care ajunge eventual încapsulat într-o structură rectangulară de plastic, cu conectoare în jur, ceea ce constituie cipul.

Trebuie să înţelegem că placheta aia circulară conţine de obicei sute sau mii de circuite integrate identice, care sunt separate mecanic, prin tăiere cu diamant sau laser.

Trebuie să înţelegem că placheta aia circulară conţine de obicei sute sau mii de circuite integrate identice, care sunt separate mecanic, prin tăiere cu diamant sau laser. Fiecare din acele dreptunghiuri mici ultra subţiri, de 0,1 mm, trebuie „împachetat”, sau încapsulat, într-un material protector ce conţine de obicei plastic şi cauciuc, care include şi conectoarele necesare pe margine, pentru ca acest circuit integrat, sau cip, să poată fi conectat pe o placă mai mare, acolo unde va opera. Deci, această bucată rectangulară neagră, încapsulată, cu conectoarele sale în formă de picioruşe, e cipul, iar în interiorul lui se află acel circuit integrat format cu greu pe bază de materiale semiconductoare.

Rolul de bază al semiconductoarelor e să poată controla electronic fluxul de curent, nu mecanic. Controlul exact se realizează prin dopare, atunci când, în procesul de producţie, se adaugă impurităţi în cantităţi foarte precise, pentru a obţine efectul dorit. Doparea pentru obţinerea de purtători de sarcină negativă se obţine prin atomi cu valenţă mai mare decât siliciul, cum a fi fosforul sau arsenicul, iar cea pentru obţinerea de sarcini pozitive se face prin atomi cu valenţă mai mică decât siliciul, cum ar fi borul şi galiul. La doparea negativă apar electronic liberi în plus, iar la cea pozitivă apar goluri de unde electronii lipsesc. Acest proces are loc o dată, în timpul producţiei. Însă apoi, în procesul de funcţionare a semiconductoarelor, prin aplicarea de curent electric şi variaţie de voltaj în terminalele dorite, se obţine modificarea conductivităţii. Deci, doparea creează structura potenţială de comportament a circuitului de semiconductori, iar curentul aplicat dirijează de facto acel comportament în timp real, obţinându-se modularea densităţii şi gestionarea fluxului de curent. Printr-un curent aplicat la terminalul cu rol de „poartă”, circuitul pe bază de semiconductori determină dacă lasă semnalele electrice să treacă prin el sau nu. Aşa se obţin efecte din cele mai diverse, care stau la baza electronicii — cum ar fi o conectare electronică a unui circuit, spre exemplu farurile unei maşini, fără un element mecanic de conectare, până la formarea fluxului de informaţii digitale, prin renumitele 1 şi 0, care stau la baza lumii digitale.

Pe baza principiilor de mai sus de purtători de sarcină negativă şi pozitivă, n şi p, acestea sunt combinate pentru a forma diodele, tranzistorii, dar şi celelalte părţi componente ale unui circuit integrat. Cu câţi mai mulţi tranzistori există într-un mic circuit integrat, de obicei, cu atât mai mare e puterea de procesare, deşi e nevoie şi de o arhitectură corespunzătoare de diode şi condensatori pentru a avea puterea de procesare dorită. Iar noi vorbim aici încă de tot ceea ce se conţine în acea mică placă metalică, pe care am numit-o circuit integrat, care ajunge încapsulată în acel dreptunghi negru cu conectoare.

Pentru o putere de procesare mare, deci, e nevoie de litografiere cât mai fină şi mai precisă, care să permită şi o frecvenţă mai mare de operare, pentru a asigura mai multe operaţiuni pe secundă, iar toată arhitectura trebuie gândită pentru disipare termică, şi limite fizice de putere. Dar un procesor grafic GPU precum NVIDIA H100, care e pregătit un număr mare de operaţiuni în paralel, are 80 de miliarde de transistori integraţi în acel circuit integrat al său! Deci, asta explică foarte clar precizia enormă necesară şi de ce doar o câteva companii din lume pot produce cele mai performante cipuri, folosite acum mai ales la inteligenţa artificială. Mai explică şi de ce doar compania olandeză ASML poate produce utilaje care să producă aceste plachete cu semiconductoare, litografiind acest circuite ultra complexe, cu 80 de miliarde de transistori într-o suprafaţă minusculă. În acelaşi timp, explică şi consumul mare al acestor cipuri ultra moderne.

Foto: Cipul NVIDIA H100

Ei bine, şi aici revenim la invenţia inginerilor chinezi, care au creat cipul analog. Marea diferenţă a acestuia e că circuitele lui interne nu se bazează pe metoda obişnuită, digitală, bazată pe 1 şi 0, sau pe permitere şi oprire de fluxuri de curent, cum o fac cipurile obişnuite, ci pe aplicarea unui circuit analogic, cu tranzistoare analogice. Putem să ne gândim la amplificatoarele audio clasice pentru a ne face o paralelă în imaginaţie. Acele amplificatoare procesează continuu fluxul de curent, fără întreruperile de 1 şi 0. Şi exact asta vor face noile cipuri chinezeşti, vor lăsa curentul să treacă prin ele într-un diapazon imens de variaţii, nu doar în formă de 0 sau 1.

Ca să înţelegem cum ar funcţiona un cip analogic — unul digital ar opera în operaţii logice de 1 şi 0 pentru a ajunge la rezultatul fizic. Un circuit analogic ar direcţiona curentul de un voltaj iniţial prin rezistenţe de diferită impedanţă şi ar ajunge la final cu un voltaj al cărui valoare va fi cifra finală a operaţiunii de calcul. Deci, curentul circulă prin cip fără operaţiuni logice digitale, în schimb fizica rezistenţelor modifică voltajul acestui curent, iar voltajul rămas la final e rezultatul calculat intrinsec de parametrii fizici ai circuitului propriu-zis. Asta e construcţia de bază a circuitelor şi cipurilor analogice, dar ele aveau limitări majore, în mare parte de precizie, motiv din care nu erau folosite în aplicări hi-tech, chiar dacă aparent fluxul continuu de curent ar permite o putere e procesare mult mai mare.

Mai nou, aceste cipuri analogice au un soi de memorie rezistivă, formată dintr-un soi de matrice cu puncte ce diferă în rezistenţă, şi exact asta au aplicat acum chinezii în cipul lor analogic. Această matrice permite circularea curentului către diverse celule care au curent propriu, iar astfel se produce operaţiunea de multiplicare vectorială în matrice, o operaţiune care stă la baza puterii de procesare a inteligenţei artificiale şi care e atinsă aici prin circuite analogice. Aceste fluxuri se produc instant, în paralel, fără cicluri de ceas şi frecvenţe şi fără aritmetică binară. Astfel, fluxul energetic e folosit integral doar pentru procesare, ceea ce sporeşte randamentul de energie consumată per operaţiune executată.

Tocmai datorită acestei eficienţe, inginerii chinezi spun că cipul lor consumă de 100 ori mai puţină energie şi are o capacitate e procesare de 1.000 ori mai mare decât cipul NVIDIA H100.

Iar ca să înţelegem foarte exact, repetăm ce am spus mai sus — cipurile analogice există mai demult, doar că ele aveau marele dezavantaj al lipsei de precizie necesară pentru aplicaţii computerizate, problema fiind cunoscută din secolul trecut. Ceea ce au perfecţionat acum chinezi cu noul lor cip e elaborarea unei memorii rezistive interne RRAM, care poate stoca şi procesa simultan informaţie şi au mai adăugat un al doilea circuit de rafinare a rezultatelor, care ajută la sporirea preciziei până la nivelul cipurilor digitale. Iar prin acest dublu circuit în RRAM noul cip şi-a rezolvat problema preciziei, păstrând avantajul consumului redus datorită eficienţei principiului analogic şi totodată viteza enormă de procesare datorită aceluiaşi principiu.

Foto: Cip analogic din anii 1970

Iar invenţia, dacă se va dovedi la fel de performanţă în viaţa reală, e una uriaşă, la drept vorbind. Asta le va permite chinezilor să aibă cipuri proprii mult mai simple în esenţă, care vor putea face acelaşi lucruri ca şi cele mai avansate cipuri NVIDIA, la care ei n-au acum acces. Le va permite în acelaşi timp să aibă centre de date cu putere imensă de procesare, care nu vor avea nevoie de o centrală nucleară de 1 GW lângă ele pentru a le alimenta, ci doar de 10 MW putere furnizaţi de un câmp de panouri fotovoltaice şi câteva baterii. Şi le va permite să facă un salt imens înainte în inteligenţă artificială şi multe domenii industriale, prin această nouă tehnologie de alternativă pentru cipurile digitale occidentale.