Inginerii chinezi de la Huawei au creat o abordare genială a semiconductorilor şi cipurilor pentru a obţine performanţă fără utilajele de litografiere EUV

Acum o săptămână, publicam un articol desfăşurat, în care spuneam că inginerul chinez Da Bo, care a inovat în semiconductoare în Japonia şi Taiwan, a revenit în China pentru a participa la cel mai mare proiect al industriei din această ţară, şi menţionam acolo cât de complex şi imens e efortul actual al Chinei de a-şi crea propria producţie de semiconductoare şi cipuri ultra avansate. Toată provocarea vine din faptul că cele mai performante utilaje de producţie a celor mai avansate semiconductoare sunt produse doar de compania olandeză ASML, dar acestea nu sunt vândute oricui vrea să le cumpere, chiar dacă ajung la multe sute de milioane de dolari pe unitate. Livrarea lor e strict controlată, necesitând aprobări prealabile, iar China n-a obţinut niciunul din aceste utilaje ultra avansate ASML, nici măcar în anii de atmosferă mai prietenoasă la nivel de global. Acum, evoluţia rapidă a inteligenţei artificiale a făcut ca aceste semiconductoare ultra avansate să fie şi mai importante pentru avansul tehnologic al unei ţâri, iar China a fost exclusă în ultimii ani şi din oportunităţile de a cumpăra cele mai avansate cipuri gata produse de companiile occidentale, nemaivorbind de utilajele de producţie a lor. Asta i-a făcut pe chinezi să se mobilizeze fără precedent pentru a-şi crea propria producţie de semiconductoare şi cipuri ultra avansate. Efortul necesar e colosal şi multilateral, şi din afară e văzut adeseori cu mult scepticism, estimându-se că cei din China nu vor reuşi prea curând să ajungă la scopul dorit. Dar în China acest deziderat a devenit acum cel mai important scop al industriei, un adevărat proiect de ţară, cu echipe de ingineri geniali atraşi şi implicaţi într-un „proiect Manhattan” al Chinei. În articolul de acum o săptămână analizam cazul inginerului care a lucrat în cele mai avansate companii din Japonia, SUA şi Taiwan, pentru a reveni acum în China, şi arătam cât de vaste sunt componentele acestui efort de creare a acestei industrii printr-un întreg ecosistem. Mai spuneam atunci că centrul acestui ecosistem e compania Huawei, iar marea coordonatoare la nivel naţional e He Tingbo, supranumită „regina cipurilor”. Ea coordonează întreaga strategie de elaborare a ecosistemului şi dirijează elaborările pârţilor componente ale acestui sistem şi finanţările echipelor. Am menţionat atunci că Huawei tocmai anunţase un progres revoluţionar în arhitectura cipurilor sale, mergându-se pe calea scurtării căilor dintre transistori. Ei bine, credem că această inovaţie a inginerilor Huawei merită o tratare detaliată, întrucât progresul pe care-l aduce e unul colosal, menit să contureze modul în care va evolua întreaga industrie de aici încolo.

Foto: He Tingbo, anunţând noua inovaţie a inginerilor Huawei

De circa 60 de ani încoace, cipurile au evoluat în mare parte prin mărirea numărului de tranzistori, or, un număr mai mare de tranzistori într-un circuit permite procesarea mai multor operaţii logice. E ceea ce a devenit cunoscut în lume ca legea lui Moore, după ce în 1965 şeful Intel, Gordon Moore, a trasat practic calea progresului de mai departe prin provocarea de a integra cât mai mulţi tranzistori în circuitele unui cip, pentru a-i mări puterea totală de procesare. Nu este o lege a fizicii, ci mai degrabă o observaţie a căii de obţine progresul dorit în industrie.

Foto: Procesor Intel 4004 din anii 1970

Iar dezvoltarea cipurilor de atunci şi până în prezent a urmat în mare parte această cale de progres. În anul 1971, spre exemplu, procesorul Intel 4004 avea 2.300 tranzistori integraţi în el, ceea ce era considerat deja un vârf tehnologic. Astăzi, un cip ultra performant din cele folosite la cele mai avansate aplicaţii, are câteva sute de miliarde de tranzistori integraţi în el!

Ca să poată fi integraţi atât de mult tranzistori, aceştia au trebuit să devină tot mai mici şi mai mici, pentru a încăpea în număr mai mare pe aceeaşi suprafaţă. Odată cu micşorarea lor, costul per tranzistor scade, iar puterea de procesare sumară a unui cip devine mai mare. Doar că această scalare a întâmpinat şi probleme.

În 1974, inginerul electric american Robert Dennard, cel care a devenit cunoscut mai apoi pentru că a inventat efectiv memoria operativă dinamică pe bază de cipuri, a enunţat o observaţie interesantă a scalării prin metoda micşorării dimensiunilor tranzistorilor şi multiplicării numărului lor. În esenţă, el punea că dacă reduci toate dimensiunile unui tranzistor în calea de a-l face mai mic, atunci tranzistorul devine mai rapid, dar consumă mai puţină energie per operaţie, ceea ce permitea efectiv creşterea numărului de tranzistori pe un cip având ca efect creşterea puterii lor, dar nu şi a consumului de energie şi degajării de căldură, întrucât şi voltajul per tranzistor scădea odată cu reducerea dimensiunii lui.

Foto: Robert Dennard

Această observaţie a scalării Dennard a conturat evoluţia cipurilor până spre anii 2005, tranzistorii devenind tot mai mici, în timp ce procesoarele care le conţineau deveneau mai rapide şi mai eficiente. O evoluţie aproape idealistă, deci. În 1995, spre exemplu, un procesor Pentium Pro ajunsese să aibă deja 5,5 milioane de tranzistori pe el.

Foto: Procesor Pentium Pro din 1995

Către anii 2004-2005, însă, dimensiunea unui tranzistor a ajuns deja la 90-65 nm. Odată cu asta, trebuia redusă şi mai mult tensiunea, însă aici a apărut efectul advers al faptului că la o tensiune prea joasă furnizată în gate, tranzistorul nu se mai închide complet şi atunci nu mai livrează poziţia de 0 dorită, perturbând corectitudinea operaţiilor numerice logice formate din 1 şi 0. Efectiv, acel tranzistor generează curenţi de scurgere, când lasă curentul să treacă prin el, ca în cazul poziţiei de deschis, sau 1, când, de fapt, semnalul primit la gate îi dictează închiderea poziţiei şi generarea unui semnal de 0. Inginerii au constatat că nu pot reduce tensiunea mai jos de 0,7-1,0 V, iar aici scalarea Dannard a întâmpinat o barieră fizică de neclintit.

Foto: Evoluţia mărimii tranzistorilor din cipuri

Cipurile au continuat să crească numărul de tranzistori, doar că aceşti tranzistori n-au mai avut consum mai mic per unitate. În rezultat, acestea au început a emana mai multă căldură, iar frecvenţele procesoarelor au stagnat în mare parte la 5 GHz de 20 ani încoace. Asta i-a făcut pe producători să înceapă a spori numărul de nuclee, pentru a putea creşte puterea de procesare, iar astfel au apărut procesoarele dual core, quad core, cu 8, 16 şi chiar 64 nuclee.

Chiar dacă cipurile au adunat mai multe nuclee, asta nu înseamnă că progresul minimizării dimensiunii tranzistorilor s-a oprit. El a continuat, însă dimensiunile tot mai mici ale tranzistorilor le reduceau capacitanţa, dar nu şi tensiunea, ceea ce însemna că nu se putea obţine o scădere proporţională a consumului per tranzistor. Şi din cauza măririi numărului de tranzistori în cipuri tot mai performante, consumul per cip a început a creşte simţitor. Un procesor desktop din 2005 cu 100 milioane de tranzistori, consuma cam 100 W în energie, iar un procesor actual performant, dar de uz general, consumă până la 350 W. Procesoarele de top din centrele de date de inteligenţă artificială pot consuma şi 700-1.200 W.

Nici producţia tranzistoarelor tot mai mici nu e deloc simplă şi ei s-au lovit la un moment dar de limitele fizice ale dimensiunii undei de lumină care gravează circuitele acestora. Dimensiunea de 16 nm e relativ cea care mai putea fi produsă cu metode relativ uzuale, însă pentru a se ajunge mai jos de atât, a fost nevoie de marele salt tehnologic făcut de ASML, care foloseşte litografierea complexă cu lumină ultravioletă extremă (EUV) de 13 nm. În mod normal, o undă luminoasă cu dimensiunea de 13 nm ar putea produce tranzistori de o asemenea dimensiune minimă, însă acele utilaje folosesc combinări optice şi suprapuneri complexe, ce permit formarea de tranzistori de până 3 nm, ba chiar până la 2 nm mai nou. Dimensiunile de 1,6 nm şi 1,4 nm sunt vizate şi sunt în pregătire.

Doar că se ajunge la o nouă barieră fizică. La o asemenea dimensiune, aceşti tranzistori ajung să aibă doar câteva zeci de atomi în dimensiune fizică. La asemenea dimensiuni mici, se ajunge la efectul de tunelare cuantică, când electronii pot trece prin barierele închise ale tranzistorilor, chiar dacă n-ar trebui s-o facă şi atunci apar aceeaşi curenţi de scurgere, când efectiv tranzistorul nu mai poate livra poziţia 0. Prin urmare, la dimensiuni de 1,4-2,0 nm, se ajunge deja la o limită fizică greu de depăşit, limită care se încearcă a fi menajată prin precizia tot mai mare de litografiere a utilajelor ASML E o scară nouă, dar e clar pentru toţi că ea e deja aproape de plafonare.

Aici a venit gândirea chinezilor, care au început de la nişte constatări elementare a stării actuale ale lucrurilor. Timpul de procesare — numit drept Tau, după litera grecească ce marchează valoarea — e format efectiv de timpul în care un electron urmează calea logică de la un tranzistor la altul, iar călătoria sa e împiedicată efectiv de produsul a două valori — rezistenţa conductorului dintre tranzistori şi capacitanţa sa. Tranzistorii propriu-zişi sunt deja foarte rapizi, ei îşi execută misiunea fără a „frâna” procesul, iar adevărata latenţă vine de la conductorii dintre tranzistoare. Prin urmare, inginerii chinezi s-au gândit că o cale de a obţine puterea de procesare ultra rapidă dorită, n-ar fi neapărat micşorarea tranzistorilor până la valori care sunt posibile doar cu litografiere EUV, cu acele utilaje indisponibile lor. O soluţie genială poate veni de la scurtarea distanţelor între tranzistori.

Şi cum se face asta? Printr-un principiu numit Logic Folding, în care Huawei a creat semiconductoare în două etaje, puse faţă în faţă, iar între ele a creat enorm de multe căi directe de acces între etajul 1 şi 2. Astfel electronii nu trebuie să călătorească de la un capăt la altul, ci iau calea mult mai scurtă de la un tranzistor de la un etaj la altul, reducând timpul. E ca şi cum ne-am imagina că anterior se opera cu o casă cu un etaj, cu 100 camere, şi ca să ajungi dintr-o cameră în alt, e nevoie de deplasare lungă pe acelaşi nivel. Acum, jumătate din acea casă a fost pusă la nivelul doi cu acces direct de la un etaj la altul.

Şi aici vom spune că mai există elaborări de cipuri tridimensionale, dar în mare parte logica circuitelor e una 2D, pe un singur nivel, iar conexiunile între nivele se fac printr-un soi de scări ce sumează anumite fluxuri de circuite. E ca şi cum un bloc cu multe etaje ar avea scări de comunicare între etaje doar la marginile edificiului. În abordarea Huawei, aproape fiecare odaie are un soi de gaură din aia din staţiile de pompieri, cu ţeavă pe ea, în care îţi poţi da drumul dintr-o odaie de la nivelul superior sau invers şi eventual mai mergi doar în camera alăturată, decât să mergi până la scări. Aceste multiple conexiuni rapide între nivele fac parte din circuitele logice de bază, reducând astfel timpul Tau, de unde vinde şi noua denumire de scalare Tau, dezvăluită de inginerii Huawei.

Marea întrebare ar fi ce se întâmplă cu degajarea de căldură şi răcirea acestor cipuri, dacă ele au două straturi puse faţă în faţă? Ei bine, paradoxul e că scurtarea distanţelor de călătorie reduce şi rezistenţa, iar asta reduce efectiv degajarea şi pierderea de energie prin căldură. Prin urmare, aceste cipuri Huawei emană mai puţină căldură, care trebuie menajată. Iar mai puţine pierderi prin căldură degajată le face să fie mai eficiente în consum, inginerii Huawei anunţând că acestea consumă cu până la 41% mai puţină energie.

Astfel, inginerii chinezi de la Huawei spun că au reuşit să obţină puterea mai mare de procesare datorită reducerii timpului de călătorie a electronilor între tranzistori, chiar dacă au făcut-o nu neapărat cu cei mai mici tranzistori din lume. Noile cipuri cu această tehnologie vor fi numit Kirin şi vor fi lansate în toamna acestui an. Iar către aul 2031, Huawei spune că va fi capabil să producă cipuri pe baza acestei scalări Tau care vor echivala performanţele cipurilor de 1,4 Nm, produse la TSMC cu utilaje de litografiere EUV de la ASML.

Foto: Evoluţia mărimii tranzistorilor din 2010 încoace

Bineînţeles, asta nu înseamnă că în contextul acestei inovaţii, China încetează să mai elaboreze utilaje similare EUV. Însă înseamnă că inginerii chinezi au descoperit deja o cale de alternativă de a obţine aceeaşi putere de procesare de top cu tehnici alternative, pe care ei le pot produce, şi chiar cu un consum mai mic de energie, care e la fel de important în epoca noastră.

Şi apoi, principiul de scalare Tau e efectiv o nouă cale de a evolua puterea de procesare a cipurilor de mai departe. Pentru că efectiv nu e neapărat să existe doar două etaje cu comunicare între ele. Pot exista 3, 5, 10 sau mai multe, iar Huawei spune clar că anume asta e calea viitorului. După micşorarea tranzistorilor şi creşterea numărului de nuclee, următoarea cale de progres poate fi supraetajarea lor pentru reducerea timpilor de călătorie până la forma unui cub în care toate laturile sunt egale, sau poate a unei sfere în viitor. E o inovaţie cu impact imens, deci, care-i poate reda Chinei ceea ce-i lipseşte acum pe o cale alternativă a propriei inovaţii, iar pe de altă parte îi poate impune pe toţi ceilalţi să urmeze o cale similară de progres.