Ученые России способны положить конец войне процессоров США и КНР

ФБА «Экономика сегодня»

Американская компания Advanced Micro Devices прекращает сотрудничество с Китаем, заявила ее глава Лиза Су на выставке Computex 2019 на Тайване. Это означает, что Пекин больше не получит доступа к современным архитектурам процессоров AMD. 

До сих пор AMD сотрудничала с Китаем, создав совместное предприятие Tianjin Haiguang Advanced Technology Investment Co. Ltd. (THATIC), которое выпускало лицензионные процессоры с использованием архитектуры Zen. Кроме того, в планах THATIC значилась разработка собственных процессоров с использованием лицензируемого набора команд AMD64. 

Нынешнее решение AMD неминуемо скажется на темпах развития китайской микроэлектроники и процессорной техники, однако вряд ли приведет к критическому отставанию Китая в этих отраслях. Что еще интереснее, два уникальных фактора, имеющиеся в распоряжении России, способны сделать бессмысленной эту микропроцессорную гонку США и КНР. 

Zen, Zen 2 и другие

Резонансное заявление Су прозвучало в качестве комментария на появление на выставке Computex 2019 китайских процессоров Hygon. При ближайшем рассмотрении они оказались копией процессора Ryzen первого поколения, который был презентован AMD в декабре 2016 года и использует архитектуру Zen собственной разработки.

Процессоры Ryzen для AMD оказались критически нужным «глотком новых технологий», который смог вернуть второго по размеру американского производителя микропроцессоров в технологическую гонку, которую он, казалось, уже безнадежно проиграл Intel. Новинка «красных», как называют AMD за цвет их логотипа, смогла «положить на лопатки» самые передовые разработки «голубых» (Intel) — как по производительности самих чипов, так и, что очень важно, по цене. Новые чипы Ryzen от AMD оказались вдвое-втрое дешевле своих конкурентов, что тут же обеспечило бум продаж процессоров, основанных на архитектуре Zen.

Прорыв AMD обуславливался двумя факторами. Во-первых, компания наконец-то смогла толково построить многоядерный и многопоточный режим внутри своего нового процессора, что до этого было сильной стороной Intel. Во-вторых, сотрудничество AMD с ведущими мировыми производителями полупроводниковых чипов, американской компанией GlobalFoundries и тайваньской TSMC, позволило изготавливать процессоры по технологиям, превосходящим таковые у Intel, и внедрять новые технологические процессы в производство. 

В современной микроэлектронике «технологическим процессом» называют размер затвора единичного транзистора полупроводникового чипа, в силу чего техпроцесс обозначают в виде этой единицы длины. Например, техпроцесс «14 нм» означает, что затвор единичного транзистора на чипе составляет 14 нанометров. Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению всех характеристик чипа: размера, энергопотребления, рабочей частоты и стоимости.

С конца 2016 года в новых процессорах Ryzen техпроцесс сменился уже дважды: от начальной архитектуры Zen (14 нм) через Zen+ (12 нм) и презентованную в апреле 2018 года — к архитектуре Zen 2, в фундамент которой была положен технологический процесс 7 нм и презентация которой состоялась в мае 2019 года.

Принципиальный уход AMD от использования собственных производящих мощностей позволил «красным» оторваться от «голубых»: пока Intel строил свою фабрику для техпроцесса 10 нм, AMD уже презентовала Ryzen на 12, а затем и 7 нм.

Отстает ли Китай от США?

И все же, как ни печально, постоянное совершенствование полупроводниковых технологий, которое сопровождало наш мир на протяжении последнего полувека, имеет свой физический предел.

На сегодняшний день конструкторы и технологи вплотную подошли к физическому пределу уменьшения размеров единичного транзистора, являющегося элементарным «кирпичиком» любого полупроводникового чипа. Определяется это размером единичного шага решетки кристаллического кремния, используемого в производстве микросхем. Два соседних атома кремния отстоят друг от друга в кристалле на 0,54 нм — нетрудно подсчитать, что в затворе современного транзистора, созданного по технологии 7 нм, таких атомов всего лишь около 11 слоев.

Принципиально обеспечить туннельный эффект в затворе можно и меньшим числом слоев атомов кремния (теоретический предел составляет 5—6 слоев), однако при таком уменьшении техпроцесса возникает иная проблема — опытные линии техпроцессов 5 и 3 нм, которые сейчас разрабатывает, например, южнокорейская компания Samsung, выдают непозволительно низкий выход годных чипов. 

Отсюда возникает известный парадокс — никому не нужен чип, обеспечивающий в полтора раза лучшую производительность, если его цена будет втрое выше, чем у его более медленного конкурента.

Китайские клоны процессоров Ryzen под названием Hygon основываются на технологии Zen первого поколения. Таким образом, на сегодняшний день КНР гарантированно имеет в своем распоряжении технологию вполне современного процессора, соответствующего уровню американских достижений конца 2016 — начала 2017 года. 

В частности, процессоры Hygon стали основой китайского суперкомпьютера Sugon Advanced Computing System, разработанного в 2018 году. По показателю производительности он разместился на 38 месте в мировом топе в последней версии этого рейтинга, опубликованной в ноябре 2018 года.

Если КНР перестанет получать технологическую поддержку от AMD, то дальнейшее совершенствование Hygon китайской стороне надо будет вести самостоятельно. Впрочем, и до заявления Лизы Су AMD никак не участвовала в развитии совместного предприятия, ограничившись предоставлением лицензии на Zen и не дав никаких дополнительных сведений китайским инженерам, участвующим в разработке и модернизации Hygon. Таким образом, отказ в лицензировании Zen+ и Zen2 может лишь замедлить прогресс китайских процессоров, однако вряд ли способен полностью остановить его.

Впрочем, даже замедление в совершенствовании процессоров вряд ли окажет существенное влияние для насущных прикладных задач КНР. Скажем, условная задача вычисления правильной аэродинамики истребителя пятого поколения будет рассчитываться на Hygon целую неделю вместо трех дней на Ryzen последнего поколения. И что тут страшного? 

Есть ли выход из кремниевого тупика?

Дальнейшие шаги Китая в попытке догнать США в микроэлектронике очевидны. Пока ведущие мировые компании — американские, европейские, корейские и японские — будут биться об упрямый предел техпроцессов 3 и 5 нм, Пекин будет осваивать проверенные технологии — техпроцессы 12, 10 и 7 нм. Эти действия гораздо более предсказуемы в части успеха: если внедрение высших техпроцессов сопряжено с массой трудностей, то получение Китаем доступа к техпроцессам 7—12 нм — это вопрос года-двух.

После этого технологический паритет между Китаем и США будет установлен однозначно, хотя в распоряжении Соединенных Штатов, безусловно, останется фактор инновации. Ведь одно дело — пусть и творчески, но копировать чужое и готовое, и совсем иное — разрабатывать что-то принципиально новое и свое.

И вот тут может проявиться российский фактор.

Удивительно, но при всем отставании в прикладных технологиях и массовом производстве полупроводниковых микросхем, в распоряжении России есть минимум два фактора, которые становятся критически важными на нынешнем этапе замедления прогресса в микроэлектронике.

Первый из них — это переход на микроэлектронику, принципиально отличающуюся от существующей, основанной на кристаллическом кремнии. В частности, исследователи из Московского физико-технического института разработали структуру нового туннельного транзистора, основу которой составляют два слоя графена — формы углерода, кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину. 

Такого рода транзисторы могут иметь размер затвора в пределах 1—2 нм, так как туннельный эффект в них возникает в промежутке между двумя соседними атомами в тонких слоях. Кроме того, переход на графен принципиально может обеспечить работу на тактовых частотах, на один-два порядка превышающих те, что используются в современных микропроцессорах на кремниевых транзисторах.

А теперь о втором факторе.

Вот уже добрый десяток лет рост производительности процессоров шел в том числе за счет распараллеливания их внутренней структуры при создании отдельных ядер и потоков. Такой подход позволил микропроцессорам начать копировать архитектуру биологических объектов, которые ведут обработку данных с помощью сложных распределенных процессов в своих нейронах. Однако введение параллельных вычислений тут же потребовало внедрения серьезного математического аппарата во внутреннюю архитектуру процессора и обусловило отход от жестких программ, характерных для первых поколений микропроцессоров. 

И здесь перспективы России выглядят также уникальными — в нашей стране по-прежнему существует сильная математическая школа, без которой дальнейшее совершенствование микроэлектроники выглядит невозможным.

В общем, следите за новостями высоких технологий. Главная схватка за мировое лидерство в этой сфере — еще впереди.