Процессоры-2015: будущее информационных технологий

Интервью с директором по развитию бизнеса в сфере исследований и разработок Intel

Лента.ру публикует очередное интервью из серии "2015", посвященной будущему информационных технологий. В этот раз о перспективах процессоров и полупроводниковых технологий мы поговорили с Николаем Суетиным, директором по развитию бизнеса в сфере исследований и разработок Intel в России и СНГ.

Лента.ру: Итак, поговорим о процессорах: какими они будут в 2015 году?

В отличие от многих, мне очень легко отвечать на этот вопрос. Потому что, во-первых, есть road maps, так называемые дорожные карты по развитию полупроводниковых технологий, в составлении которых активно участвует Intel, как, впрочем, и все полупроводниковые компании.

Во-вторых, есть закон Мура, который тоже предсказывает развитие полупроводников. Поэтому про 2015 год мне отвечать достаточно легко.

Первая интегральная схема появилась больше полувека назад. С тех пор мы ушли очень далеко. Если бы у вас было всего три слова, какими бы тремя словами Вы бы охарактеризовали наш прогресс в этой области?

Одним. Фантастика.

А какими словами вы можете охарактеризовать прогресс в этой области через 5 лет?

До 2015 года с очень большой вероятностью закон Мура будет сохранен - это означает, что передовые компании будут выпускать продукцию по технологическим нормам 16 нанометров (сейчас это 32 нанометра, будет 22 к 2011-2012 году, а в 2015-ом уже в промышленном производстве будет 16 нанометров). Скорее всего, в качестве основного материала по-прежнему будет кремний, но, может быть, совместно с другими материалами (Ge, A3B5).

Уже сейчас есть процессоры, в которых два миллиарда транзисторов. В 2015 году в принципе не будет технологических ограничений по числу транзисторов. Основной проблемой будет энергоэффективность, поэтому, скорее всего, это будут достаточно универсальные, но все же специализированные по областям применения процессоры. Например, для высокопроизводительных вычислений это будут очень мультиядерные процессоры - уже в следующем году мы планируем представить пользователям сорокаядерные процессоры.

Для самых обычных пользователей?

В первую очередь, конечно, для высокопроизводительных вычислений. Но в принципе, по многим соображениям, количество ядер будет расти и для остальных задач.

То есть будущее за уменьшением размера транзистора и за увеличением числа ядер?

Да, но есть еще одна вещь – это специализация. Для разных приложений вам нужны совершенно разные требования. Если проводить аналогию с двигателем автомобиля, то, например, нельзя сделать один и тот же двигатель как для гоночных автомобилей Формулы 1, так и для самосвала.

Если вам нужны какие-то отдельные, достаточно специализированные процессоры для высокопроизводительных вычислений, для больших вычислительных комплексов (как, например, тот, который сейчас развивается в МГУ), или, например, если вам нужны процессоры для мобильных приложений, где важно энергопотребление - это совершенно разные процессоры. Еще один пример – встроенные системы, если вы хотите контролировать расход электроэнергии, всевозможные контроллеры – это еще один вид процессоров. Или же процессоры для медиаустройств, там совершенно другие требования. Однако мы хотим, чтобы для всех них программные продукты были совместимы.

Сильно ли сократится энергопотребление процессоров через 5 лет с переходом на новый техпроцесс?

Каждый раз при переходе на новый техпроцесс потребление падает. То есть если вы хотите сохранить те же вычислительные возможности, то энергопотребление, конечно, падает. Но, как правило, требования к вычислительным возможностям растут. Поэтому сокращение будет не прямо пропорционально размерам транзисторов, а чуть-чуть медленнее.

Я думаю, что показатель watt per performance сократится в несколько раз, потому что будут вовлечены новые материалы. Скорее всего, также будет уменьшаться управляющее напряжение.

Известно, что сейчас Intel только начинает выходить на рынок процессоров для мобильников. Возможно ли, что в связи со снижением энергопотребления нас ждет какая-то процессорная революция в сфере мобильных устройств? Придет ли к ним производительность, которая сегодня характерна для обычных, не мобильных устройств?

Безусловно. Мы на это надеемся. Сейчас в мобильных устройствах в основном превалируют ARM-архитектуры, мы же продолжаем линейку архитектур Х86, но для того, чтобы успешно войти в рынок мобильных устройств, надо существенно снижать энергопотребление.

Это уже делается. Например, наш последний вариант Atom уже снизил энергопотребление в спящем режиме в 80 раз. Конечно же, требуется дальнейшее снижение. Как только нам удастся это сделать (а я уверен, что с нашими технологиями нам это в ближайшее время удастся), вы получите, грубо говоря, полный компьютер, со всеми вашими привычными устройствами, в вашем портативном мобильном устройстве.

Давайте немного поговорим о законе Мура. Его хоронят почти каждый год.

По-моему, его хоронят уже 20 лет.

Как вы считаете, прекратится ли экспоненциальный рост числа транзисторов и производительности? Есть ли предел? Или закон Мура можно соблюдать, действуя как-то в обход?

Для начала, давайте окончательно сформулируем - что такое закон Мура? Вообще говоря, он носит экономический характер. Закон Мура был чисто экономическим, он утверждал, что стоимость одного транзистора снижается вдвое каждые 18 месяцев.

Почему закон Мура действует? По одной простой причине: параллельная обработка. То есть вы делали на одном чипе тысячи, потом сотни тысяч, а потом миллионы транзисторов одновременно.

(Достает кремниевую пластину) На одной пластине в 300 миллиметров каждый квадратик – процессор, то есть здесь на самом деле несколько сот процессоров одновременно. Следующим шагом будет переход от 300 миллиметров до 450 миллиметров, и это будет сделано уже в 2012 году (мы, Samsung и Toshiba подписали соответствующее соглашение). Если мы сейчас увеличим размер пластины в два раза, то фактически за один проход пластины через все технологические процессы вы получите то же самое, только в два раза больше по площади, то есть сразу снизите стоимость вдвое. Но для этого нужны довольно большие экономические затраты на переделку оборудования и так далее. Это первое.

Второй вариант – делать на той же самой пластине и уменьшать топологические размеры вдвое, получится то же самое – вдвое дешевле. Но, к сожалению, есть фундаментальные физические ограничения на дальнейшее снижение размеров транзистора. Первое из них связано с тем, что ключевым технологическим процессом является литография. Литография – это перенос изображения вашей микросхемы, которую дизайнер разработал, на поверхность кремния. Сейчас это делается с помощью лазера, излучающего свет с длиной 193 нанометра. Типичный размер элемента, который достигнут в производстве - 32 нанометра. Скоро будет 22 нанометра.

Это существенно меньше, чем длина волны, что накладывает ограничения, так как нельзя получить разрешение на поверхности с топологическими размерами меньше, чем четверть длины волны. Если 193 поделить на 4, то вы увидите, что мы уже приблизились к этим ограничениям. Поэтому есть два варианта. Первый вариант – это переход на более короткую длину волны. И это делается, развиваются источники на 13,5 нанометра и, соответственно, вся новая оптика для них, это тоже будет очень дорого, но тогда будет возможность развивать несколько поколений технологий.

Либо еще можно пытаться протащить технологию с 193 нанометрами, но использовать так называемую двойную или тройную экспозицию, другие технологические подходы. В принципе, технические решения на 2015 год просматриваются, дальше вопрос уже к экономике – какое из них будет наиболее эффективным.

Это все миллиарды долларов?

Каждый год Intel вкладывает более 5 миллиардов долларов в исследования и развитие, плюс стоимость фабрики – это отдельный разговор, современная фабрика стоит около 3-4 миллиардов долларов.

Удивительная вещь, об этом никто не задумывается, но эту фабрику необходимо обновлять раз в четыре года, поскольку действует закон Мура. То есть вы должны эти миллиарды вложить и окупить их в течение четырех лет. Представляете, какая должна быть производительность этой фабрики? Причем надо не только произвести, но и продать эту продукцию. И здесь уже размер рынка является сдерживающим фактором развития технологии.

Поэтому, если вы хотите в дальнейшем нарастить производительность, увеличить количество фабрик, уменьшить размер транзисторов, то надо, соответственно, расширять рынки. Да, мы уже имеем существенную долю на рынке класса стандартных процессоров, на рынке высокопроизводительных процессоров, остается идти на другие рынки, иначе фабрики просто не будут окупаться.

Поэтому неудивительно, что буквально за последние 5 лет количество фабрик в мире резко сокращается, количество компаний, которые одновременно имеют собственные дизайн-центры и собственное производство, резко уменьшается.

Да, например, AMD выделила производство в отдельную компанию...

...и туда теперь могут приходить не только AMD, но и другие. Сейчас происходит разделение компаний: foundry и fabless. Например, тайваньская компания TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) – чистая foundry. У нее нет собственных дизайн-центров. К ним приходят разработчики процессоров для мобильных телефонов или графических карт. У них нет собственного производства. Они на компьютере производятся дизайн и верификацию, а потом отдают разработку в контрактное производство, откуда компания получает готовый продукт, который она продает под своей маркой. И так устроен практически весь полупроводниковый бизнес.

Компаний, у которых есть собственный дизайн-центр и собственное производство, с каждым годом все меньше. По прогнозам, в 2015 их останется 3-4 штуки.

Насколько я понимаю, с окупаемостью фабрик, если судить по последним отчетам, у Intel все в порядке.

Да, слава Богу.

Вы сказали, что до 2015 года все технические решения более-менее просматриваются, а к какому году они просматриваются плохо?

Инновации в Intel построены следующим образом: мы просматриваем развитие технологии на 5-7 лет вперед и понимаем, что нам потребуется за это время. Все дальнейшее, то есть все, что вне этого срока, мы отдаем на исследование в университеты, исследовательские центры и так далее. Почему всегда важна дорожная карта? Потому что там опубликовано, что нам потребуется в полупроводниковой промышленности через пять или через семь лет, там написано, какие есть возможные решения, или указано, что таковых нет.

Затем компетентные в своей отрасли университеты предлагают определенные решения этих проблем. Наши инженеры встречаются с учеными, обсуждают, насколько эти решения адекватны, и потом из этих решений выбирается пять-шесть вариантов решения этой проблемы. Эти варианты тестируются на предмет совместимости с другими технологическими процессами, имеющимся у нас оборудованием, проверяются на затратность. Из этих 5-6 решений выбирается одно-два. И потом на основе этого одного-двух решений как раз строится вся технологическая линейка. Уже есть решения и дальше 2015 года, они тоже более-менее просматриваются, но они не такие надежные.

Понятно, и дорожная карта постоянно обновляется, как бы скользит?

Да, есть ранние варианты нашей дорожной карты, и любой может сравнить, насколько правильны были предсказания. Во многом они были правильные, но есть направления с достаточно сильными отклонениями от предсказаний. Отметьте, эти дорожные карты писали специалисты, которые работают именно в этой отрасли. И, несмотря на это, они тоже ошибаются. Я с юмором отношусь к тому, когда дорожные карты для технических областей пытаются составлять, например, экономисты.

В последние годы намечается определенная конкуренция между центральными процессорами и графическими процессорами. Графические перетягивают на себя все больше задач, как будто исподволь подменяют традиционные чипы. Кто победит?

Во-первых, графические процессоры, если говорить, например, про высокопроизводительные вычисления, всегда используются как так называемый сопроцессор. То есть, вообще говоря, все основные функции выполняет основной процессор CPU, как правило на архитектуре X86. Но для частей программы, которые очень хорошо распараллеливаются, используются графические процессоры.

Что такое графический процессор – это процессор, у которого очень много ядер, очень простых, которые могут выполнять простые параллельные операции, которые абсолютно однородны. Графические процессоры сделаны именно для графики, и для графики они себя показывают очень хорошо.

Поэтому все зависит от того, какие задачи вы хотите решить. Если у вас задача по обработке графики, то, безусловно, они эффективны. Политика Intel здесь такова: мы даем возможность пользователю создать такую систему, которая наиболее эффективна для его приложений. Наши устройства сделаны таким образом, что к ним легко подсоединяются любые графические сопроцессоры. Если вы считаете, что нужно решение на основе графики – пожалуйста, но все равно необходим центральный процессор, потому что он выполняет ряд операций, которые недоступны графическому процессору.

Потом, когда начинаешь сравнивать лучший графический процессор и лучший CPU, на реальных больших задачах, то понимаешь, что все далеко не так, как обещает реклама... А если программу, которую пытаются запускать, еще оптимизировать соответствующим софтом, который есть для классических процессоров, то зачастую CPU оказывается эффективнее.

Еще раз говорю – все зависит от задач. То есть если задачи с очень неоднородными данными, если у вас плохо распараллеленные задачи, если требуются решение задач с двойной точностью, то здесь графические процессоры не смогут вам помочь настолько, насколько они обещают. Поэтому каждый раз, когда вы решаете какую-то задачу, надо смотреть, какая это задача, и строить вычислительную архитектуру под эту задачу.

Недавно корпорация Nvidia (в команду входит и ряд других компаний) объявила о том, что получила грант на сумму 25 миллионов долларов от DARPA на разработку суперкомпьютеров нового поколения с эксафлопсовой производительностью. Из этого я для себя сделал вывод, что роль графических процессоров в высокопроизводительных вычислениях, в суперкомпьютерах будет очень сильно расти. Это верно?

Отмечу, что Intel тоже выиграла этот грант (реально их дали четыре). Если раньше, помните, были в основном гомогенные системы, то сейчас появилось множество так называемых гетерогенных систем, в которых на каждой плате стоят как CPU, так и GPU, и задачи с сильной параллельной обработкой "выбрасываются" на графический процессор.

Однако все прекрасно понимают, что есть проблема софта для таких систем, потому что программы, которые раньше были написаны сразу "в лоб", на этих системах, как правило, не идут, и требуется довольно много усилий для их переписывания.

Надо еще вот что иметь в виду. Вы помните историю сопроцессоров? Сначала были процессор и математический сопроцессор, потом он интегрально вошел в главный процессор. Сейчас тенденция та же самая - GPU включается фактически внутрь CPU, это такое решение, когда графическая обработка и центральный процессор объединены в одно целое.

Насколько я знаю, таков Core i7.

Да, но это все-таки 2 раздельных чипа на одной пластине. А следующий шаг - все будет просто на одном кремниевом чипе.

Есть еще один фактор, который надо учитывать – эффективность использования. На последней конференции ISС (International Supercomputer Conference) вновь был объявлен Top-500 суперкомпьютеров, второе место в котором занял суперкомпьютер из Китая.

Если посчитать пиковую производительность, которую он может дать, он далеко впереди. Они пошли по пути использования графических ускорителей. А эффективность использования графических систем в стандартных тестирующих пакетах (чтобы оценить производительность, запускается несколько стандартных тестовых программ – Linpack, например) очень низкая, порядка 30 процентов от обычной. Если же вы взглянете на процессор гомоядерной системы, у них там 85 процентов. Как говорится, почувствуйте разницу!

Настанет ли момент, когда нельзя будет точно сказать, где заканчивается CPU и начинается GPU?

Безусловно. Просто из истории развития – у вас появляется дополнительный функционал, сначала его проще сделать вне центрального процессора, а потом этот функционал, как правило, включается в центральный процессор.

Опишите, пожалуйста, состояние российской полупроводниковой отрасли и как оно изменится в течение ближайших пяти лет?

Я не могу говорить за всю российскую полупроводниковую отрасль, так как я этим не занимаюсь. Я пытаюсь вовлечь российские университеты и Российскую академию наук в тот большой спектр исследований и разработок, которые требуются полупроводниковой индустрии, и в частности Intel.

Задач, которые стоят перед полупроводниковой промышленностью, с каждым годом все больше. Зазор между фундаментальными, казалось бы, исследованиями и промышленностью в области микроэлектроники полупроводников сейчас практически отсутствует.

Что делает современная высокотехнологическая промышленность? Она формулирует задачи для ученых, которые требуется решить и которые потом будут восприняты промышленностью и будут использованы дальше как на производстве, так и дизайнерами при создании следующих изделий. Это дает возможность ученым заниматься вещами, которые не только им интересны, но и еще кому-то нужны.

Но с другой стороны, Intel - международная компания, и когда возникает определенная задача, она открыта для всего мира. Соответственно, рассматриваются предложения со всего мира – из Соединенных Штатов, Китая, Индии, России и так далее. Это конкуренция мирового уровня, и в такой конкурентной борьбе зачастую российские группы побеждают и получают проекты.

Есть несколько совершенно успешнейших проектов. О них особо не говорят, так как люди реально работают и им некогда заниматься собственно пиаром. Приведу примеры. Есть несколько принципиальных технических вопросов для так называемого интерконнекта – когда все размеры топологически уменьшаются, толщина проводников тоже уменьшается. Лучшим проводником является медь, и сейчас уже используются медные проводники.

Для того чтобы медь не диффундировала, существуют специальные барьерные слои, которые препятствуют диффузии. До сих пор они были размерами порядка 10 нанометров. Когда у вас общий размер 16 или 22 нанометра, такие толстые барьерные слои уже неприемлемы, их надо делать как можно тоньше, и желательно проводящими.

Есть такая технология Atomic Layer Deposition (ALD) или по-русски "атомное наслаивание" - кстати, она была изобретена в Петербурге очень давно, еще в 1964 году. И материалы, которые наносятся с помощью этой технологии, это очень сложные химические металлоорганические соединения.

В Новосибирске, в Институте неорганической химии есть группа профессора И.К. Игуменова, которая десятилетиями делала такие металлоорганические соединения. По нашей просьбе они модифицировали эти соединения так, чтобы они отвечали требованиям современной технологии, то есть чтобы у них была определенная температура испарения, определенная температура разложения, качество и так далее. Мы с ними очень долго сотрудничали, и они для нас синтезировали несколько десятков таких соединений и исследовали их свойства.

Другой очень интересный пример - это так называемые фотохромные материалы, которые исследуют в центре фотохимии Академии наук. Там проделали отличную работу.Нам были необходимы фотохромные материалы для излучения - 193 нанометра, то самое, которое сейчас используется в литографии. Оказалось, что это вопрос вообще не изучен. Они провели очень детальное исследование и синтезировали новые материалы, которые обладают нужными фотохромными свойствами, то есть решили эту задачу.

Чем, кроме процессоров, сейчас занимается Intel?

Во-первых, это optical interconnection, то есть оптические межсоединения.

Во-вторых, мы занимаемся беспроводными коммуникациями. WiMAX - это то, что мы пытаемся двигать, фактически первая стадия четвертого поколения сетей связи.

В-третьих, все сейчас прекрасно понимают, что сделать большой процессор или микросхему - не такая большая проблема, по крайней мере, некоторые это научились делать. Вопрос в том, как их правильно загрузить, как сделать так, чтобы все ваши 80 ядер одновременно работали, были полностью загружены. То есть проблема софта выходит сейчас на первое место. Поэтому в Intel софтовые подразделения приобретают сейчас все больший вес. Производство специализированного софта для разных приложений - это то, что мы сейчас развиваем. В частности, мы совместно с Nokia создаем новую платформу, которая называется MeeGo.

Биологические приложения. Система, которая называется Personal Health Assistant – когда пожилые люди, не выходя из дома, через интернет могут проверить свое здоровье, общаться с доктором, получать напоминания, когда принимать лекарства.

Как видите, Intel развивается по многим направлениям.

А еще Intel в 2007 году ввела понятие нетбука.

Да. Заметьте, до этого его не было. Мы создали практически новый рынок.

Сейчас проглядывается тенденция на сближение бюджетных ноутбуков и нетбуков. Будут ли нетбуки к 2015 году существовать как класс или это будет небольшая портативная рабочая станция с мультимедийными возможностями?

На самом деле, происходит фрагментация рынков. Действительно, до 2007 года не было нетбуков. Практически до прошлого года не было планшетников. Появляется все больше и больше опций. На самом деле, происходит не фрагментация фиксированного рынка, а его расширение с дальнейшей фрагментацией.

Если мы возьмем нетбуки, очевидно, что за счет снижения стоимости, за счет различных эргономических решений, повышения энергоэффективности и так далее, возможности его использования расширяются. Например, школьный компьютер. Это должно быть устойчивое устройство, которое мало потребляет, хорошо соединяется с сетью, и так далее. Оно, при этом, не требует больших возможностей, главное – энергопотребление и совместимость со всеми остальными ресурсами, со школьным компьютером, с тем ноутбуком, который потом студент купит и перенесет на него напрямую те программы, которыми пользовался.

Я думаю, что каждый сегмент будет развиваться. Более того, будут появляться новые сегменты.

Вы упомянули планшетники. Как вы к ним относитесь?

Очень хорошо. Планшетник на базе процессора Intel уже выпущен, он очень красивый, в нем загружаются все программы, которые существуют сейчас фактически на любом компьютере. Летом этого года мы продемонстрировали его на конференции на Тайване.

Представьте себе, что вы супергерой, способный перемещаться во времени. Вы перемещаетесь в 2015 год, берете оттуда какую-то технологию и внедряете ее в 2010-м. Какая бы это была технология, если бы у вас был такой шанс?

Я надеюсь, что это была бы технология медицинского контроля. Сейчас активно развиваются так называемые биочипы. Intel тоже пытается принять в этом участие. Эта система обеспечивает строгий контроль за состоянием вашего организма, когда вы точно знаете химический состав вашей крови, сколько и каких у вас антител, какие протеины и в каком количестве у вас возникают и так далее. Я думаю, что эта система будет к 2015 году активно развиваться. И соответственно, близко к этой основе, быстрый анализ вашей ДНК.

Я почти уверен, что к этому времени будет очень развит компьютерный дизайн лекарств. Это еще одно направление. Все, что касается здоровья, будет востребовано.

А почему именно биология и фармакология, а не какие-то техпроцессы будущего для создания чипов и так далее?

Вы спросили, что бы я выбрал. Мы же видим, что сейчас у нас нет острой необходимости в резком увеличении производительности компьютеров. Но в мире есть большой рынок, относящийся к здравоохранению. И в стране, и в мире проживает стареющее население, необходим уход за ним, необходимо повышение комфорта их жизни, необходимо уменьшение затрат на медицину при увеличении качества медицинского обслуживания. Нет никаких сомнений в том, что сейчас этим надо заниматься и это будет востребовано.

У любой крупной компании, особенно у компании - лидера в своей области, есть какое-то видение будущего. Оно может реализоваться или не реализоваться, этому могут мешать конкуренты. Представьте, что концепции Intel через 5 лет победили во всем мире. Как будет выглядеть мир? Чем мы будем пользоваться? Какие технологии получат распространение?

Как мы уже говорили, в связи с тем, что стоимость процессоров все больше снижается, системы контроля и мониторинга будут практически везде и всюду. Мы автоматически получим резкое увеличение энергоэффективности всей нашей жизни. Можно спорить о том, влияют ли выбросы CO₂ на климат, но все согласны с тем, что надо просто повышать энергоэффективность, то есть снижать потребление невозобновляемых ресурсов. Очевидно, что это контроль и экономия всего и всюду. Я думаю, что микроконтроллеры, которые мы будем выпускать, будут всюду.

Второе, это то, что мы называем continuous computing. Системы, которыми вы пользуетесь на мобильном телефоне, в вашей машине, в вашем медиацентре дома, на вашем домашнем компьютере, будут совместимы друг с другом, и программа, которую вы разрабатываете где-то, можно будет с таким же успехом пускать на любом устройстве, то есть полная совместимость по софту.

На уровне приложений?

Да.

Это будут веб-приложения или межплатформенные приложения?

Мы надеемся, что это будут межплатформенные приложения.