Какие работы связаны с разработкой процессоров

Как разрабатываются и создаются процессоры? Часть 2: Процесс проектирования процессора

Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, пришло время заглянуть внутрь процессора, чтобы понять, как устроены его внутренние компоненты. Эта статья является второй частью нашей серии, посвященной устройству процессоров. Если вы не читали первую часть, советуем ознакомиться с ней прежде, чем вы начнете читать дальше, поскольку в этой статье мы будем использовать понятия, освещенные ранее.

Как вы, вероятно, знаете, процессоры и большинство других современных цифровых технологий основаны на транзисторах. Самый простой способ представить транзистор – это управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включен, ток пропускается через транзистор. А когда выключен, транзистор ток не проводит. Точно так же, как и выключатель света на вашей стене, только транзистор гораздо меньше, гораздо быстрее и может управляться электрически.

В современных процессорах используются два основных типа транзисторов: pMOS и nMOS. Транзистор nMOS позволяет току течь, когда подается ненулевое напряжение на затвор, а транзистор pMOS – наоборот, проводит ток, когда напряжение на затворе стремится к нулю. Комбинируя эти типы транзисторов, мы можем создать логические вентили CMOS. В третьей части серии мы ещё остановимся подробней на физике работы процессоров.

Логический вентиль (логический элемент, гейт) – это простейшее устройство, которое принимает входной сигнал, выполняет некоторые операции и выводит результат в виде выходного сигнала. Например, вентиль AND (И) включит свой выход тогда и только тогда, когда все входы в вентиль включены. Инвертор или вентиль отрицания NOT (НЕ) включит свой выход, если вход отключен. Объединив эти два гейта, мы получим логический элемент NAND (И-НЕ), который включает свой выход, если и только если ни один из входов не включен. К другим логическим гейтам, с иной логической функциональностью, относятся OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ-НЕ), XOR (Исключающее ИЛИ) и XNOR (Исключающее ИЛИ с инверсией).

Ниже показаны схемы двух основных логических элементов, реализованных с помощью транзисторов: вентиль отрицания (инвертор) и вентиль NAND (И-НЕ). В инверторе сверху находится транзистор pMOS, подключенный к питанию, а снизу транзистор nMOS, подключенный к земле. Транзисторы pMOS обозначаются с небольшим кружочком на затворе. Поскольку устройства pMOS срабатывают при отключенном входе, а устройства nMOS наоборот – при включенном, то несложно понять, что сигнал на выходе всегда будет противоположным сигналу на входе. Глядя на вентиль NAND, мы видим, что для него требуются четыре транзистора и что выход будет включен, пока хотя бы один из входов отключен. По такому же принципу, как формируются приведенные примеры элементарных транзисторных схем, проектируются и более сложные логические гейты и прочие схемы внутри процессоров.

Трудно представить, как из таких простейших кирпичиков – логических элементов – может получиться функционирующий компьютер. Сперва из нескольких отдельных вентилей создаётся простейшее устройство, способное выполнять какую-то простую функцию. Затем из нескольких таких простых устройств создаётся более сложное, выполняющее более сложную задачу. Процесс объединения отдельных компонентов для получения требуемой функциональности – это именно то, что применяется сегодня при создании чипов. Современные чипы имеют миллиарды транзисторов.

В качестве примера, взглянем на простой полный одноразрядный сумматор. Он имеет три входа – А, B и Вход переноса (C_in), и два выхода – Сумма (Sum) и Выход переноса (Carry out). Базовая схема такого сумматора строится на пяти логических гейтах, которые можно сгруппировать для получения сумматора требуемого размера. Современные схемы вносят некоторые улучшения, оптимизируя работу логики и работу с переносами, но суть остаётся прежней.

Вывод Суммы (Sum) включается, если A или B включены (но не оба сразу), либо если есть сигнал переноса (C_in), при этом A и B одновременно включены или выключены. Вывод переноса (Carry out) функционирует несколько сложнее – он срабатывает либо при одновременном включении A и B, либо если есть сигнал переноса и один из A или B (но не оба сразу). Чтобы соединить несколько однобитных сумматоров в один более широкий, нам попросту нужно последовательно соединить вывод переноса предыдущего бита с входом переноса текущего бита. Чем сложнее схемы, тем сложнее логика, но это самый простой способ сложить два числа. Современные процессоры используют более сложные сумматоры, рассматривать их в нашем обзоре будет излишним. Помимо сумматоров, процессоры также содержат узлы для деления и умножения, включая версии всех этих операций с плавающей запятой.

Объединение групп логических элементов для выполнения какой-либо функции, подобное этому, называется комбинационной логикой. Но этот тип логики не единственный, что встречается в компьютерах. Было бы мало толку, если бы мы не могли хранить данные или отслеживать состояние чего-либо. Для этого нам нужна секвенциальная логика, которая обеспечивает возможность хранить данные.

Секвенциальная логика строится путем подключения инверторов и других гейтов таким образом, что их выходы возвращают сигналы на вход гейтов. Эти контуры обратной связи используются для хранения одного бита данных и известны как статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM). Статическим оно называется в противоположность динамическому (DRAM), поскольку сохраняемые в нём данные всегда напрямую связаны с положительным напряжением или землей.

Ниже показан стандартный способ имплементации одного бита SRAM на шести транзисторах. Верхний сигнал WL (Word Line, словная линия) является адресным, и когда он включен, данные, хранящиеся в этой 1-битной ячейке, подаются на битовую линию BL (Bit Line). Вывод BLB (Bit Line Bar, шина битовой линии) это просто инвертированное значение битовой линии, но физически это одна и та же линия. Помимо двух типов транзисторов, мы видим и знакомые нам схемы инверторов, выполненные на транзисторах M3/M1 и M2/M4.

SRAM используется для создания сверхбыстрых кэшей и регистров внутри процессоров. Такая память очень стабильна, но требует от шести до восьми транзисторов для хранения каждого бита данных. Это делает его чрезвычайно дорогим по стоимости, сложности и площади чипа по сравнению с Dynamic RAM. DRAM, в свою очередь, хранит данные в крошечном конденсаторе, а не с помощью логических вентилей. Динамическим оно называется потому, что напряжение на конденсаторе может динамически изменяться, поскольку оно не подключено напрямую к питанию или земле.

Поскольку для доступа к данным, хранящимся в конденсаторе, требуется только один транзистор на бит и конструкция схемы очень масштабируема, DRAM может быть «упакован» компактно и дешево. Одним из недостатков DRAM является то, что заряд в конденсаторе настолько мал, что его необходимо постоянно поддерживать. Именно поэтому при выключении компьютера все конденсаторы разряжаются и данные в оперативной памяти теряются.

Принципиальная схема DRAM. Address Line – адресная шина (словная линия); Bit Line – битовая шина (битовая линия); Transistor – транзистор; Storage capacitor – конденсатор; Ground – земля.

Такие производители, как Intel, AMD и Nvidia, не публикуют схем работы своих процессоров, поэтому и мы не можем предоставить точные схемы узлов современных процессоров. Однако этот простой сумматор позволяет получить достаточное представление о том, как даже самые сложные части процессора можно разбить на составляющие логические элементы, элементы памяти, и в конечном итоге – на транзисторы.

Теперь, когда мы знаем об устройстве некоторых компонентов процессора, нам нужно выяснить, как они соединяются и согласуются между собой. Все важнейшие узлы процессора подключены к тактовому сигналу (синхросигналу), который представляет собой чередование верхнего и нижнего уровня сигнала с заданным интервалом, называемым частотой. Логика внутри процессора обычно переключает значения и выполняет вычисления в момент переключения синхросигнала с низкого уровня на высокий. Синхронизируя все вместе, мы можем быть уверены, что данные всегда распределяются корректно по времени, тем самым исключая сбои в работе процессора.

Многие, наверное, слышали о так называемом «разгоне» – увеличении тактовой частоты процессора с целью повысить его производительность. Этот выигрыш в производительности достигается за счет более быстрого переключения транзисторов и внутрипроцессорной логики, чем предусмотрено производителем. Поскольку число тактов в секунду становится больше, то и операций может быть произведено больше, отчего и повышается производительность процессора. Но это справедливо лишь до определенного предела. Большинство современных процессоров работают с частотой от 3,0 до 4,5 ГГц, и за последнее десятилетие ситуация не сильно изменилась. Точно так же, как металлическая цепь не прочнее её самого слабого звена, процессор не может быть быстрее его самой медленной части. К концу каждого такта каждый из элементов процессора должен завершить свою работу. Если какой-то элемент не успевает, значит заданная частота слишком высока, и процессор не сможет работать. Разработчики называют эту самую медленную часть «критическим путем», и именно по ней производителем задаётся максимальная частота процессора. Выше определенной частоты транзисторы просто не могут переключаться достаточно быстро и начинают глючить или давать неправильные выходные сигналы.

Мы можем ускорить переключение транзисторов, повысив напряжение питания процессора, но это тоже срабатывает до определённого предела. Если подать слишком большое напряжение, то мы рискуем сжечь процессор. При увеличении частоты или повышении напряжения процессора, усиливаются его нагрев и потребляемая мощность. Это происходит потому, что мощность процессора прямо пропорциональна частоте и пропорциональна квадрату напряжения. Чтобы определить энергопотребление процессора, мы рассматриваем каждый транзистор как маленький конденсатор, который нужно заряжать или разряжать при изменении его значения.

Подача питания — настолько важная часть процессора, что в некоторых случаях до половины физических контактов на чипе может использоваться только для питания или заземления. Некоторые чипы при полной нагрузке могут потреблять больше 150 ампер, и весь этот ток должен крайне аккуратно управляться. Чтобы представить такое количество энергии, заметим: центральный процессор производит больше тепла на единицу площади, чем ядерный реактор.

Тактовый сигнал в современных процессорах отнимает примерно 30-40% от его общей мощности, потому что он очень сложен и должен управлять множеством различных устройств. Для сохранения энергии большинство процессоров с низким потреблением отключают части чипа во время их бездействия. Это реализуется отключением тактового сигнала (Clock Gating) или отключением питания (Power Gating).

Тактовые сигналы имеют ещё одну сложность при разработке процессора: так как их частоты постоянно растут, на их пути начинают вставать законы физики. Хоть скорость света и чрезвычайно высока, она недостаточно высока для высокопроизводительных процессоров. Если подключить тактовый сигнал к одному из концов чипа, то ко времени, когда сигнал достигнет другого конца, он уже будет значительно рассинхронизован. Чтобы синхронизировать все части чипа, тактовый сигнал распределяется при помощи так называемого H-дерева (H-Tree). Это структура, обеспечивающая равноудаленность всех конечных точек от центра.

Может показаться, что проектирование каждого отдельного транзистора, тактового сигнала и контакта питания в чипе – чрезвычайно монотонная и сложная задача, и это в самом деле так. Даже несмотря на то, что в таких компаниях, как Intel, Qualcomm и AMD работают тысячи инженеров, они не смогли бы вручную спроектировать каждый аспект чипа. Для их проектирования они используют различные специальные инструменты, помогающие создавать необходимые конструкции и схемы к ним. Такие инструменты обычно получают высокоуровневое описание того, что должен делать компонент, и определяют наилучшую аппаратную конфигурацию, удовлетворяющую этим требованиям. Зародилось технологическое направление под названием «Синтез высокого уровня» (High Level Synthesis), которое позволяет разработчикам задавать в коде желаемую функциональность, после чего компьютеры определяют, как оптимально достичь её в оборудовании.

Точно так же, как вы можете описывать компьютерные программы с помощью кода, проектировщики могут описывать кодом аппаратные устройства. Такие языки, как Verilog и VHDL позволяют разработчикам оборудования выражать функциональность любой создаваемой ими электрической схемы. После успешного выполнения симуляций и верификации таких проектов их можно материализовать в конкретные транзисторы, из которых будет состоять электрическая схема. Хоть этап верификации и не кажется столь же увлекательным, как проектирование нового кэша или ядра, он значительно важнее их. На каждого нанимаемого компанией инженера-проектировщика может приходиться пять или более инженеров по верификации.

Верификация нового проекта чипа зачастую требует гораздо больше времени и денег, чем создание самого чипа. Компании тратят так много времени и средств на верификацию, потому что после отправки чипа в производство его невозможно исправить. В случае ошибки в ПО, можно просто выпустить патч, а вот с ошибками в оборудовании такого не сделаешь. Например, компания Intel обнаружила баг в модуле деления с плавающей запятой у некоторых чипов Pentium, и теперь этот баг обошёлся компании в 2 миллиарда долларов.

Непросто осмыслить то, что в одном чипе может быть несколько миллиардов транзисторов и понять, что все они делают. Если разбить чип на его отдельные внутренние компоненты, становится немного легче. Из транзисторов составляются логические вентили, логические вентили соединяются в функциональные модули, выполняющие определённую задачу, а эти функциональные модули собираются вместе, образуя архитектуру компьютера, о которой мы говорили в первой части серии.

Бо́льшая часть работ по проектированию автоматизирована, но изложенное выше позволяет нам осознать, насколько сложен только что купленный нами новый процессор.

Эта вторая часть нашей серии посвящена процессу проектирования процессора. Мы рассмотрели транзисторы, логические элементы (они же вентили, гейты), подачу питания и синхронизирующих сигналов, синтез конструкции и верификацию. В третьей части мы узнаем, что требуется для физического производства чипа. Все компании любят хвастаться тем, насколько современен их техпроцесс (Intel 10 нм, Apple и AMD 7 нм, и т.д.), но что же на самом деле означают эти числа? Об этом мы расскажем в следующей части.

Какие работы связаны с разработкой процессоров

СМИ, свидетельство Роскомнадзора от 07.03.2017 за номером ЭЛ № ФС 77 — 68911

Подключите пакет «Плюс» и пользуйтесь всеми сервисами сайта без ограничений и рекламы:

Полное отсутствие рекламы.

Неограниченный доступ к премиальным сервисам сайта.

5 тестов на выбор профессии с расширенными результатами.

Сервисы сравнения вузов по 50 критериям и специльностей по 22 критериям.

Калькулятор ЕГЭ с дополнительными опциями.

Персональный онлайн робот-помощник с искусственным интеллектом Поступика (планируется).

Все новые сервисы, которые мы планируем выпустить, также будут входить в пакет «Плюс» без ограничений.

1.2 Производство процессоров.

Ни для кого не секрет, что производственные фабрики компании Intel на данный момент являются одними из ведущих фабрик в мире по уровню технической оснащенности.

Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов — это одна из самых сложных конструкций, созданных человеком. Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели – транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе. Размеры транзисторов измеряются в нанометрах. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная (10−9) часть метра.

Основную часть работы при создании процессоров делают вовсе не люди, а роботизированные механизмы – именно они туда-сюда таскают кремниевые пластины. Цикл производства каждой пластины может доходить до 2-3 месяцев. (рис. 4)

Рисунок 4 – Кремниевая пластина

Пластины действительно делаются из песка – по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Путем химических реакций оксид кремния (SiO₂) тщательно очищают, делая из «грязного» чистый. Для микроэлектроники нужен монокристалличский кремний – его получают из расплава. Все начинается с небольшого кристалла (который и опускают в расплав) – позже он превращается в специальный монокристаллический «буль» ростом с человека. Далее убираются основные дефекты и специальными нитями (с алмазным порошком) буль нарезается на диски – каждый диск тщательно обрабатывается до абсолютно ровной и гладкой (на атомарном уровне) поверхности. Толщина каждой пластины около 1мм – исключительно для того, чтобы она не ломалась и не прогибалась, то есть, чтобы с ней было можно комфортно работать.

Диаметр каждой пластины составляет ровно 300мм – чуть позже на этой площади «вырастут» сотни, а то и тысячи процессоров. К слову, компании Intel, Samsung, Toshiba и TSMC уже сообщили о том, что занимаются разработкой оборудования, способного работать с 450мм-пластинами (на большей площади поместится больше процессоров, а значит и цена каждого будет ниже).

Рисунок 5 –Поперечное сечение процессора.

Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль тепло распределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под тело распределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы. Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было

соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью). Рисунок 6 — Чип из кремния увеличенный в микроскопе.

Как было сказано выше, элементарной ячейкой процессора является полевой транзистор. Первые полупроводниковые изделия были из германия и первые транзисторы изготавливались из него же. Но как только начали делать полевые транзисторы (под затвором которого находится специальный изолирующий слой — тонкая диэлектрическая пленка, управляющая «включением» и «выключением» транзистора), германий тут же «вымер», уступив дорогу кремнию. Последние 40 лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO₂), что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров.

Правило масштабирования простое – уменьшая размеры транзистора, толщина диэлектрика должна уменьшаться пропорционально. Так, например, в чипах с техпроцессом в 65нм толщина слоя диэлектрика затвора из SiO₂ составляла порядка 1.2 нм, что эквивалентно пяти атомарным слоям. Фактически, это физический предел для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора (а значит и уменьшения слоя диоксида кремния), ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастает, что приводит к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. В таком случае слой из диоксида кремния перестает быть препятствием для квантового туннелирования электронов, из-за чего пропадает возможность гарантированного управления состоянием транзистора. Соответственно, даже при идеальном изготовлении всех транзисторов (количество которых в современном процессоре достигает нескольких миллиардов), неправильная работа хотя бы одного из них означает неправильную работу всей логики процессора, что запросто может привести к катастрофе – это если учесть, что микропроцессоры осуществляют управление работой практически всех цифровых устройств (от современных сотовых телефонов до топливных

Процесс миниатюризации транзисторов не пошел вопреки законам физики, но и компьютерный прогресс, как мы видим, не остановился. Это значит, что проблему с диэлектриком каким-то образом решили. И ведь действительно решили – при переходе на 45нм компания Intel стала использовать новый материал, так называемый high-k диэлектрик, который заменил бесперспективно тонкий слой диоксида кремния. Слой на базе окиси редкоземельного металла гафния с высоким (20 против 4 у SiO₂) показателем диэлектрической проницаемости k (high-k) стал более толстым, но это позволило сократить ток утечки более чем в десять раз, сохранив при этом возможность корректно и стабильно управлять работой транзистора. Новый диэлектрик оказался плохо совместим с затвором из поликремния, но и это не стало препятствием — для повышения быстродействия затвор в новых транзисторах был выполнен из металла.

Рисунок 7 — ДиэлектрикиSIO₂иHigh-k.

Таким образом, компания Intel стала первой в мире компанией, перешедшей к массовому производству микропроцессоров с использованием гафния. Более того, пальма первенства до сих пор принадлежит корпорации — до сих никто не может воспроизвести эту технологию, т.к. пленка из диэлектрика создается методом атомарного напыления, причем материал наносится последовательными слоями толщиной всего в один атом.

Интересно, после прочтения этих абзацев у вас возникла мысль о том, как миллиарды транзисторов проектируют, делают и умещают на такой маленькой площади? И как это в итоге все работает и, при этом, стоит вполне разумных денег?

В 1965 году один из основателей корпорации Intel, Гордон Мур, зафиксировал эмпирическое наблюдение, ставшее впоследствии знаменитым законом его имени.

Представив в виде графика рост производительности микросхем памяти, он обнаружил

любопытную закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя равные промежутки времени — примерно 18-24 месяца — после появления их предшественников, а емкость микросхем при этом возрастала каждый раз примерно вдвое.

Рисунок 8 — Графа увеличения количества транзисторов по закону Мура.

Позже Гордон Мура предсказал “закономерность”, предположив, что количество транзисторов в микропроцессорах будет удваиваться каждые два года – собственно, постоянно создавая инновационные технологии, корпорация Intel обеспечивает выполнение закона Мура вот уже более 40 лет.

Количество транзисторов продолжает расти, хотя размеры процессора «на выходе» остаются относительно неизменными. Секрета, опять же, никакого нет – это становится понятным, если взглянуть на следующую зависимость.

Рисунок 9 — Графа уменьшения топологических размеров.

Как указанно (на рис 9 ), раз в два года топологические размеры уменьшаются в 0.7 раз. Как результат уменьшения размеров транзисторов – выше скорость их переключения, ниже цена и меньше потребляемая мощность.

На данный момент компания Intel выпускает процессоры по технологии 32нм. Ключевые технические отличия от технологии 45нм: — используется 9 уровней металлизации — применяется high-k диэлектрик нового поколения (тоже оксид гафния, но со специальными добавками – полученный слой эквивалентен 0.9нм оксида кремния).

Создание нового технологического процесса для создания металлического затвора привело к 22% увеличению производительности всех транзисторов (по сравнению с 45нм), а так же к самой большой плотности элементов, что потребовало самой большой плотности тока.

Производство.

Компания Intel производит процессоры в трех странах – это США, Израиль и Ирландия. На данный момент у компании существует 4 фабрики для массового производства процессоров по технологии 32нм. Это: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико(Рис.10). И в устройстве этих заводов и в их работе есть немало интересных вещей, но об этом я расскажу в следующий раз.

Рисунок 10 — Заводы производства процессоров Intel.

Не надо думать, что с переходом нескольких фабрик на 32нм, все вдруг станет производиться по этому техпроцессу – тем же чипсетам и другим периферийным схемам это просто не нужно – в большинстве случаев в них используется 45нм. Рубеж в 22нм планируется полноценно взять уже в следующем году, а к 2013 с большой вероятностью будет и 16нм. По крайней мере, в этом году уже была сделана тестовая пластина (на 22нм, см.рис 11), на которой была продемонстрирована работоспособность всех элементов, необходимых для работы процессора.

Рисунок 11 — Тестовая пластина изготовленная по 22нм технологии.

Когда закончится эра кремния? Точная дата пока неизвестна, но она определенно не за горами. В технологии 22нм он еще определенно «повоюет», скорее всего и в 16нм останется… а вот дальше начнется самое интересное. Периодическая таблица, в принципе, достаточно большая и выбрать есть из чего ) Но скорее всего, всё упрется не только в химию. Увеличения эффективности работы процессора можно будет добиться либо уменьшение топологические размеры (сейчас так и делают), либо используя другие соединения, обладающие более высокой подвижностью носителей – возможно, арсенид галлия, возможно «нашумевший» и перспективный графен (кстати, у него подвижность в сотни раз выше, чем у кремния). Но и тут есть проблемы. Сейчас технологии рассчитаны на обработку пластин с диаметром в 300мм – нужного для такой пластины количества арсенида галлия просто нет в природе, а графен (ворд настойчиво предлагает писать «графин») такого размера изготовить еще крайне сложно – делать это научились, но много дефектов, проблемы воспроизведения, легирования и т.д.

Скорее всего, следующим шагом станет нанесение монокристаллического арсенида галлия на кремний, а вот потом уже графен. А, возможно, развитие микроэлектроники пойдет не только по пути улучшения технологий, но и по пути развития принципиально новой логики – такое ведь тоже исключать нельзя.

Тик-так.

Процесс изготовления процессоров состоит из двух больших «частей». Для первой нужно иметь саму технологию изготовления, а для второй нужно понимание того, ЧТО изготавливать и как — архитектуру (то как соединены транзисторы). Если одновременно сделать и новую архитектуру и новую технологию, то в случае неудачи будет сложно найти «виновных» — одни будут говорить, что виноваты «архитекторы», другие – что технологи. В общем, следовать такой стратегии очень недальновидно.

В компании Intel введение новой технологии и архитектуры разнесено по времени – в один год вводится технология (и уже отработанная архитектура производится по новой технологии – если что-то пойдет «не так», то виноваты будут технологи); а когда новая техноло`гия будет отработана – архитекторы сделают под нее новую архитектуру и если на отработанной технологии что-то не заработает, то виноваты будут уже архитекторы. Такую стратегию назвали «Тик-так».

«Тик-так» (рис 12) (англ. tick-tock) — экстенсивная стратегия разработки микропроцессоров, анонсированная Intel на конференции IntelDeveloperForum в сентябре 2006. Цикл разработки делится на две стадии — «тик» и «так». «Тик» означает миниатюризацию технологического процесса и относительно небольшие усовершенствования микроархитектуры. «Так» означает выпуск процессоров с новой микроархитектурой, но при помощи существующего технологического процесса. По планам Intel, каждая часть цикла должна занимать примерно год.

Какие работы связаны с разработкой процессоров

Содержание

• Основатели Intel
• С чего все начиналось
• Предпосылки микропроцессорных технологий
• История развития компании Intel
• Первые продукты
• Первые микропроцессоры
• AMD и Intel: партнерство и конкуренция
• История развития процессоров Intel: Intel Core
• Корпоративная культура
• Маркетинговая политика
• Intel в России
• Intel сейчас

Корпорация Intel — крупнейший в мире производитель полупроводников, производственные мощности которого находятся в США, Европе и Азии. Компания была основана в 1968 году, когда ее создатели почувствовали, что недостаточно внимания уделяют инновациям.

Сейчас корпорация выпускает самую разнообразную технику: материнские платы, флэш-память, коммутаторы, маршрутизаторы, микросхемы и многое другое.

Intel остается одним из важнейших игроков на рынке благодаря сочетанию грамотного маркетинга, поддержанию исследований и разработок, здоровой корпоративной культуре и сотрудничеству с крупнейшими производителями техники, а также Microsoft Corporation — ведущим разработчиком ПО.

Основатели Intel

Гордон Мур получил PhD по химии и физике в Калифорнийском технологическом институте, Пасадена. После он устроился в лабораторию прикладной физики в университете Джона Хопкинса, но вскоре решил, что работа в частной отрасли имеет больший потенциал.

Его очень интересовали возможности транзисторов — на тот момент недавнего изобретения, у которого еще не было практического применения в промышленности. В 1956 году Мур вернулся в Калифорнию, чтобы работать в лаборатории Уильяма Шокли, одного из Нобелевских лауреатов и изобретателей транзисторов.

Роберт Нойс получил докторскую степень по физике твердого тела в Массачусетском технологическом институте. Его диссертация была связана с транзисторами. В 1956 году, еще будучи сотрудником Philco Corporation, он познакомился с Уильямом Шокли и начал работу в его лаборатории.

С чего все начиналось

Шокли оказался плохим управленцем. Атмосфера тотального контроля негативно отражалась на результатах работы и моральном духе коллектива. В 1957 году восемь его сотрудников уволились, из-за чего получили прозвище «вероломная восьмерка», и создали новую компанию Fairchild Semiconductor Corporation как дочернее подразделение Fairchild Camera and Instrument Corporation.

В 1959 году Мур стал руководителем по исследованиям и разработкам. Генеральным директором был назначен Роберт Нойс.

Предпосылки микропроцессорных технологий

В 1958 году Джин Херни, один из восьми основателей Fairchild Semiconductor Corporation, придумал поместить на транзисторы слой оксида кремния, чтобы защитить их от грязи, пыли и иных загрязнений. После этого стало возможным усовершенствовать устройство. Раньше Fairchild производила транзисторы на больших пластинах, вырезала компоненты и соединяла их проводами, а теперь можно было располагать их на единой пластине — так появилась интегральная схема.

Фото в тексте: Unsplash

Идея одновременно пришла в голову Роберту Нойсу и Джеку Килби из Texas Instruments Incorporated. Однако у Нойса было более масштабное видение: он разработал планарную технологию — метод производства микросхем, при котором металлические связи утоплены в пластину. Позже Нойс и Fairchild Semiconductor получили на нее патент.

История развития компании Intel

Со временем Нойс и Мур сочли, что Fairchild Semiconductor уделяет разработкам недостаточно внимания. Они решили основать собственную компанию и обратились за помощью к венчурному капиталисту Артуру Року. В тот момент их бизнес-план занимал лишь одну страницу. Рок доверял Нойсу и Муру и предоставил $3 млн в качестве стартового капитала.

18 июля 1968 года основатели зарегистрировали компанию под названием N M Electronics, но вскоре изменили название на Intel (от англ. integrated electronics, «интегрированная электроника»). Перед тем как в 1971 году стать публичной компанией, Intel привлекла еще $2 млн инвестиций.

Нойс и Мур сформировали особую культуру управления, которая со временем распространилась в Кремниевой долине. Они отрицали иерархию и поддерживали творчество. Третьим по значимости в Intel стал Эндрю Гроув, который смог эффективно организовать работу и поддерживать дисциплину. Фактически благодаря ему работал закон Мура: число транзисторов, размещаемых на интегральной схеме, удваивалось регулярно — каждые 18 или 24 месяца.

В 1992 году годовая чистая прибыль Intel впервые превысила $1 млрд.

Тогда же Intel начала разрабатывать не только микросхемы, но и компоненты для компьютеров. С появлением линейки Pentium компания приступила к выпуску наборов микросхем и материнских плат. Позже десятки производителей начали создавать компьютеры на базе Pentium.

В середине 1990-х годов продажи ПК росли, и Intel продолжала разрабатывать все более мощные микропроцессоры. В 1995 году на рынке появился Pentium Pro с 5,5 млн транзисторов, способный выполнять до 300 млн операций в секунду.

Затем Intel добавила технологию мультимедийных расширений к линейке Pentium, что позволяло улучшать характеристики ПК. К 1996 году выручка компании достигла $20,85 млрд, а чистая прибыль выросла до $5,16 млрд.

В ноябре 1999 года корпорация Intel была включена в индекс Dow Jones Industrial Average.

В конце 1990-х годов Intel приобрела несколько компаний, которые обеспечили ей выход на рынок продуктов беспроводной связи, сетевых технологий и встроенных микросхем управления. Корпорация Intel также вышла на рынок e-commerce, создав крупнейшую в мире торговую площадку для предприятий. К середине 1999 года объем интернет-продаж составлял $1 млрд в месяц.

Однако компания не забывала и про свою основную специализацию. В 1999 году Intel провела крупнейший запуск, обнародовав одновременно 15 процессоров Pentium III и Pentium III Xeon.

Первые продукты

Скромный бизнес-план Нойса и Мура заключался в масштабном производстве интегрированных полупроводниковых карт памяти. Тогда они были в десять раз дороже стандартных карт на магнитных сердечниках. Однако стоимость постепенно снижалась, и основатели Intel полагали, что их разработка скоро заменит устаревшие комплектующие.

В течение нескольких месяцев после запуска компания выпустила биполярную память 3101 Schottky, высокоскоростную микросхему оперативной памяти (RAM). Этот продукт стал довольно популярным, и Intel существовала благодаря его продажам до 1969 года, пока не представила металлооксидный полупроводниковый чип 1101.

В 1970 году Intel выпустила 1103, первую динамическую высокоскоростную микросхему DRAM объемом 1 Кбайт. Это был первый чип, который вмещал существенный объем информации. Вскоре чип 1103 заменил магнитные сердечники. В конечном итоге DRAM оказался незаменимым компонентом персонального компьютера.

Далеко не все бизнес-решения Intel были удачными. В 1972 году корпорация решила запустить производство цифровых часов и приобрела компанию Microma. Однако ей не хватало понимания рынка, и уже в 1978 году она продала актив с убытком в $15 млн.

В 1974 году Intel занимала 82,9% на рынке чипов DRAM. В 1984 году — 1,3%.

Конкуренция со стороны зарубежных производителей полупроводников росла, и Intel сконцентрировалась на микропроцессорах.

Первые микропроцессоры

1971 год стал революционным для компьютерной индустрии. В рамках контракта с японским производителем калькуляторов Nippon Calculating Machine Corporation Intel разработала первый в мире микропроцессор 4004. Работая над этим заказом, Хофф придумал план центрального процессора (ЦП) на одном кристалле.

Хотя изначально Intel рассматривала микропроцессоры как усовершенствование, которое позволит увеличить память компьютера, позже она оценила их потенциал.

В 1972 был представлен 8008, 8-разрядный микропроцессор, разработанный вместе с 4004, но ориентированный на обработку данных и символов, а не арифметических операций.

В 1974 году запущен первый микропроцессор общего назначения 8080. За $360 Intel продавала целый компьютер на одном чипе, в то время как другие ПК стоили тысячи долларов. Вскоре 8080 стал отраслевым стандартом, а Intel — лидером на рынке 8-битных систем.

Фото в тексте: Unsplash

Intel приложила максимум усилий, чтобы сделать свою архитектуру стандартом рынка. Когда в 1980 году International Business Machines Corporation (IBM) стала устанавливать в свои компьютеры микропроцессор 8008, Intel, казалось, победила конкурентов.

В 1971 году Intel разработала еще один революционный продукт — стираемую программируемую постоянную память (СППЗУ). Физик Intel Дов Фроман работал над вопросом надежности кремниевого затвора, используемого в металлооксидных полупроводниковых чипах. Так он понял, что «плавающие» затворы можно использовать для создания нового поколения микросхем.

Обычные микросхемы ПЗУ приходилось постоянно программировать, поскольку любые изменения требовали изготовления новой микросхемы. Но теперь Intel смогла предложить клиентам микросхемы, которые можно стирать и перепрограммировать с помощью ультрафиолета и электричества. На момент запуска СППЗУ была просто новинкой, но микропроцессоры создали на нее спрос.

Другой важной разработкой Intel в то время стали микросхемы периферийных устройств, оптимизированные для решения конкретных задач. Они позволили значительно расширить возможности компьютера, не увеличивая затраты на разработку ПО. Одной из важнейших разработок в области периферийных устройств стал сопроцессор. Фактически он был расширением ЦП и позволял эффективнее обрабатывать ресурсоемкие задачи. Так, благодаря инновациям, компания Intel снова опередила своих конкурентов.

AMD и Intel: партнерство и конкуренция

Для IBM было слишком рискованно иметь единственного поставщика чипов. Поэтому в 1976 году Intel и Advanced Micro Devices (AMD) заключили соглашение о перекрестном лицензировании, а в 1982 году приняли решение об обмене технологиями.

Однако уже в 1980-х Intel отказалась раскрывать сведения о новом процессоре 80386.

В 1991 году AMD подала антимонопольный иск на $2 млрд против Intel, заявив, что компания незаконно обеспечивала статус монополиста на рынке. В 1995 году компании сообщили, что достигли соглашения. AMD получила бессрочную лицензию на микрокод процессоров 80386 и 80486.

Позже Intel неоднократно получала претензии от Федеральной торговой комиссии США, Еврокомиссии, регуляторов Японии и Южной Кореи.

В 2006 году AMD подала жалобу на Intel в Федеральное управление картелей Германии, утверждая, что сделка между Intel и Media Markt препятствовала продажам компьютеров на базе процессоров AMD.

Фото в тексте: LifeCollectionPhotography / Shutterstock

В 2007 году Европейская комиссия обвинила Intel в нарушении антимонопольного законодательства. Ведомство постановило, что компания предлагала скидки производителям ПК, которые покупали большинство процессоров у Intel, платила за задержку или отмену продуктов на базе процессоров AMD и продавала свои процессоры ниже себестоимости на торгах, в которых участвовала вместе с AMD.

В 2009 году Intel и AMD урегулировали все антимонопольные и патентные споры. Intel согласилась выплатить AMD $1,25 млрд, согласившись при этом на ряд положений о деловой практике и пятилетнее соглашение о перекрестном лицензировании.

Стоит отметить, что победы в судебных разбирательствах не дали AMD серьезного преимущества: Intel активно разрабатывала новинки, и на момент передачи патентов технологии уже не являлись передовыми. В 1999 году AMD представила высокопроизводительный процессор Athlon, который должен был конкурировать с Pentium. В качестве ответа была запущена серия Core.

История развития процессоров Intel: Intel Core

В 2006 году Intel выпустила процессор Core 2 Duo E6320 (4 МБ кэш-памяти, тактовая частота 1,86 ГГц, частота системной шины 1066 МГц). Core Duo имел два ядра и должен был составить конкуренцию процессорам AMD Athlon X2 и Opteron.

Перед этим компания существенно изменила позиционирование на рынке. Цены на Pentium и Pentium D были снижены, чтобы втянуть AMD в ценовую войну в 2005-2006 годах. Процессор Core 2 Duo помог Intel вновь обогнать AMD по производительности.

Стоит отметить, что цифры в названиях процессоров (i3, i5, i7 и так далее) не указывают на количество ядер, а на производительность. Компания регулярно выпускает новые поколения микропроцессоров: каждый цикл разработки занимает примерно год и решает одну из задач:

• уменьшение технологического процесса с использованием существующей микроархитектуры (цикл «тик»);
• выпуск процессоров на базе новой микроархитектуры (цикл «так»).

Стратегия «тик-так» была представлена в 2006 году, но спустя 10 лет была скорректирована: сейчас «тик» — процесс, а «так» — архитектура и оптимизация.

В 2008 году была выпущена усовершенствованная серия Nehalem на базе 45-нм. У этих процессоров было от одного до четырех ядер. Это был первый процессор Intel с технологией Turbo Boost, который мог работать на частоте 3,6 ГГц в течение коротких периодов времени. Благодаря улучшениям Nehalem смог работать в два раза быстрее, чем процессоры Core 2. Процессоры на базе Nehalem продавались под брендами Celeron, Pentium, Core i3, Core i5, Core i7 и Xeon.

Позже была создана версия матрицы Nehalem на 32-нм, которая получила название Westmere. Ее базовая архитектура не изменилась, но благодаря уменьшенному размеру внутри процессора удалось разместить дополнительные компоненты — вместо четырех ядер Westmere содержала до восьми.

Последующие поколения носили названия Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell, Broadwell, Skylake, Kaby Lake, Coffee Lake и другие. Недавно вице-президент Intel Грегори Брайант сообщил о завершении разработки Meteor Lake на базе 7-нм техпроцесса. Эти процессоры будут выпущены в 2023 году.

Корпоративная культура и кризисные решения

Компания быстро росла: если в 1968 году штат насчитывал 12 сотрудников, в 1980 году он вырос до 15 тысяч. Это требовало внимательного подхода к корпоративной культуре.

Нойс, Мур и Гроув помнили, как их разочаровывала бюрократия в Fairchild, и пытались выработать более легкий стиль управления. На ранних этапах они поддерживали связь с сотрудниками на неформальных еженедельных обедах, но со временем это стало невозможно.

Поэтому основатели выработали собственную корпоративную политику.

• Особое внимание уделялось открытости, дисциплине, возможности принимать важные решения даже на самых нижних уровнях, а не бюрократии.
• Топ-менеджеры также старались избегать такой излишней роскоши, как лимузины, дорогие обеды и частные парковки, чтобы быть наравне со своими подчиненными.
• В качестве премии сотрудники получали опционы на акции Intel.
• Технологические прорывы отмечали эксклюзивным шампанским Vintage Intel. В 1983 году годовые продажи компании впервые достигли $1 млрд.

В 1974 году во время рецессии Intel была вынуждена уволить 30% сотрудников. Это серьезно повлияло на моральный дух компании.

В 1981 году произошел очередной кризис. Однако вместо сокращений Intel ускорила разработку новых продуктов с помощью «125-процентного решения». Этот подход подразумевал, что в течение шести месяцев сотрудники с ненормированным рабочим днем сверхурочно работали по два часа без оплаты.

В 1982 году восстановление продаж было недолгим, и Intel решила опять обойтись без увольнений. Вместо этого заработная плата была сокращена на 10%, но уже к июню 1983 года была восстановлена.

Маркетинговая политика

Изначально продукция Intel была неизвестна конечному потребителю. Если в 1980-х годах компания была лидером рынка, то со временем она начала уступать конкурентам. В 1991 году она проиграла патентный спор AMD и поняла, что для сохранения позиций необходимо менять позиционирование.

В ходе исследования Intel выявила сегмент рынка, условно названный «те, кто добивается успеха». Компания решила представлять свои чипы как премиум-продукт, соответствующий запросам этой аудитории. Для этого она использовала свои сильные стороны — фонды, инновации, совместимость с продуктами разных производителей и возможность создавать процессоры как низкой, так и высокой ценовой категории.

Продукция Intel позиционировалась как «необходимый ингредиент», а рекламный лозунг звучал как Intel Inside. Раньше модели процессоров получали номер. Однако очередное поколение назвали Pentium — это было легче писать, произносить и запоминать. Подбренды имели собственные обозначения.

Со временем видение бренда трансформировалось. Сейчас маркетинговые кампании нацелены на миллениалов, которые важны не только как покупатели, но и как лица, которые в будущем будут принимать бизнес-решения.

Для привлечения новой аудитории Intel выступает в качестве партнера развлекательных мероприятий — Супербоула, премии «Грэмми», NBA и многих других.

Intel в России

Россия — один из ключевых рынков для компании. В 1991 году был открыт филиал в Москве, в 2000 году — центр R&D в Нижнем Новгороде. С 2004 года по 2016 год работал центр разработки в Новосибирске.

Летом 2015 года запущена лаборатория по разработке решений для «интернета вещей» в Москве.

В России компанию возглавляет Наталья Галян. Директором нижегородского центра исследований и разработок является Иван Кузьмин.

Центр R&D Intel в Нижнем Новгороде — один из крупнейших исследовательских центров компании в Европе и за пределами США. Основные направления его исследований — ИИ, беспилотное вождение, Big Data и совместное программно-аппаратное проектирование.

Ключевые направления деятельности нижегородского центра Intel:

• оптимизация кросс-платформенного ПО и анализ производительности;
• создание алгоритмов и инструментов для разработчиков в области компьютерного зрения и искусственного интеллекта;
• оптимизация обработки мультимедиа;
• высокопроизводительные вычисления;
• архитектура коммуникационных систем, алгоритмы обработки сигналов и комплексное моделирование беспроводных коммуникаций;
• оптимизация микроархитектур и прогрессивные разработки для будущих процессорных архитектур;
• физическое и математическое моделирование схем;
• продуктизация ПО и инструментов для разработчиков (создание продуктовой документации, лицензирование и др).

В России Intel поддерживает программы сотрудничества с университетами и студентами, в том числе с целью последующего найма, организует кратко- и долгосрочные обучающие курсы для студентов, хакатоны, семинары и оплачиваемые стажировки для студентов.

Два раза в год на базе нижегородского Центра исследований и разработок Intel проходят курсы «Дельта» для студентов, выпускников и начинающих разработчиков, которые направлены на восполнение «дельты» между вузовской программой и требованиями рынка (с этим связано и название программы).

В Москве Intel является одной из базовых организаций кафедры «Микропроцессорные технологии в интеллектуальных системах управления» в МФТИ.

В новом учебном году Intel запускает программу «Технологии искусственного интеллекта для каждого» в 7 образовательных учреждениях России, расположенных в Москве, Пскове, Самаре, Кемеровской, Рязанской и Томской областях.

Intel сейчас

В последние годы Intel столкнулась с рядом проблем: выпуск чипов последнего поколения был отложен, а Apple запустила собственное производство чипов.

В 2019 году Intel продала Apple бизнес по производству модемов для смартфонов, а годом позже сократила присутствие на рынке компьютерной памяти. По итогам 2020 года доля Intel на рынке микропроцессоров сократилась, тогда как основные конкуренты укрепляли позиции.

В начале 2021 года ушел в отставку Боб Свон, который занимал пост финансового директора Intel с 2016 года, а в 2019 году был назначен временным генеральным директором. Новым руководителем Intel назначен Пэт Гелсингер.

• запустить модель производства интегрированных устройств,
• создать вертикальный независимый бизнес по выпуску полупроводников Intel Foundry Services, и выполнять заказы для других брендов, чтобы конкурировать с азиатскими производителями.

План поддержали Microsoft, Amazon, Cisco, Google, IBM и Qualcomm.

Intel и ее основатели оказали огромное влияние на технологическую отрасль. Прогнозировать, в каком направлении она будет развиваться, непросто. Однако корпорация уже доказала, что умеет адаптироваться и видеть новые возможности. И этому у нее стоит поучиться.