Intel наносит ответный удар

После более чем десятилетнего превосходства Intel уступила своему главному конкуренту, AMD. Джереми Лэрд пытался разобраться, где Intel встала на ложный путь и чем ответит противнику.

Так что же именно случилось с Intel? Когда-то безусловный лидер в производстве процессоров и микросхем сейчас уступает соперникам почти по всем возможным показателям. CPU от AMD оказались более продуманными, а технология производства от TSMC – эффективнее. Похоже, что Intel окончательно сбилась с пути.

Даже на рынке мобильных ПК, где производитель был абсолютным лидером не одно десятилетие, процессоры Intel уступили новым гибридным Renoir от AMD.

Дела обстоят настолько плохо, что Apple сообщила о планах разорвать отношения с производителем и начать выпускать собственные чипы на базе ARM. Хуже того, поговаривают, что сама Intel задумывается о партнёрстве с TSMC для выпуска отдельных видов продукции в будущем, в том числе и первой пользовательской видеокарты. В сущности, это может стать для корпорации полным унижением.

Или же это всего лишь предположение? Несмотря на все трудности, в прошлом году доход Intel достиг рекордной суммы – 72 млрд. долл. В действительности главная проблема производителя заключается в том, что он не поспевает за динамикой спроса со стороны так называемых гипермасштабируемых ЦОД. Это такие компании, как Amazon, Microsoft, Google, Facebook и др., которым просто не хватает в достаточном количестве процессоров Xeon. Между тем есть веские основания полагать, что вскоре Intel вернётся в прежнюю колею относительно того, что касается производства чипов и микроархитектур CPU.

Как можно охарактеризовать беды и несчастья Intel в двух словах? «10 нанометров», я бы сказал. И дело не только в провале технологии производства чипов – такие доводы можно привести в пользу любой производящей микроархитектуры компании, которая почивает на лаврах на протяжении десятилетий. Но 10 нанометров! Это же катастрофа.

Под этим понятием «10 нанометров» подразумевается технологический процесс или узел, используемый для производства компьютерных чипов. 10 нм в теории – это размер самых маленьких компонентов внутри чипа. Однако на практике названия, относящиеся к технологическим процессам, и фактические размеры компонентов, например, затворов транзисторов внутри десктопного процессора, перестали соотноситься между собой в последнее время. И, скорее всего, внутри процессора Intel нет такого компонента, размер которого действительно 10 нм.

Это отсутствие прямой зависимости между размером компонента и описанием узла становится более проблемным, когда дело касается сравнения технологических процессов конкурирующих производителей. Но об этом чуть позже. А сейчас нас интересует 10-нм техпроцесс Intel и его недостатки. Изначально ожидалось, что он будет внедрён ещё в 2015 году. Сейчас уже вторая половина 2020 года, однако ассортимент продуктов с 10-нм чипами невелик. Купить настольные ПК или серверные CPU, построенные на вышеуказанном техпроцессе, вам не удастся. Только мобильные процессоры для ноутбуков и планшетов перешли на 10-нм технологию, да и то лишь те, что с низким и ультранизким потреблением мощности. Остальные обновили до 14 нм.

Эти факты нужно рассматривать с учётом принятого самой Intel стандарта – закона Мура, и потому нужно учитывать сопротивление законов физики, с которым столкнулись разработчики микросхем в последние годы. Однако ещё большие трудности в производстве полупроводников могут возникнуть, когда отдельные транзисторы достигнут размера горстки атомов и будут подвергаться загадочным квантовым эффектам, например, туннелированию. Но это уже совсем другая история.

Скорее всего, все проблемы Intel сводятся к чрезмерным амбициям, моральному устареванию отдельной производственной технологии, может быть, самоуспокоенности и отсутствию инвестиций.

По словам главного руководителя Intel Боба Свона, проблемы Intel с 10-нм технологией — это «своего рода производная того, что мы делали в прошлом. Тогда мы пытались одержать победу несмотря ни на что. И когда наставали особенно тяжёлые времена, мы ставили ещё более амбициозные цели. И потому на их достижение у нас уходило больше времени».

Завышенные ожидания от микросхем

В отношении 10-нм технологического узла эта амбициозная цель означает увеличение плотности транзисторов в 2,7 раза. Иными словами, на единице площади кристалла в 10-нм узле содержится в 2,7 раза больше транзисторов, чем в 14-нм узле. Если конкретнее, то процессоры, выполненные по 14-нм техпроцессу, содержат 37,5 млн. транзисторов на квадратный миллиметр, в то время как в одном квадратном миллиметре 10-нм кристаллов содержится 100 млн. транзисторов. Кардинальное увеличение плотности транзисторов делает 10-нм технологию гораздо более амбициозной по сравнению другими техпроцессами.

Увеличение плотности в 2,5 раза и переход от 22-нм к 14-нм технологии были впечатляющими, однако переход от 32 нм к 22 нм представлял увеличение плотности в 2,1 раза, а переход от 45 нм к 32 нм – в 2,3 раза. Понимание сути этих изменений помогает объяснить различия между узлами Intel и узлами конкурирующих производителей. Например, 10-нм технология Intel подразумевает плотность 100,8 млн. транзисторов на квадратный миллиметр. Этот показатель немного превосходит показатель TSMC – 96,5 млн. транзисторов (позже TSMC объявила о 113,9 млн. транзисторах на квадратный миллиметр для усовершенствованного 7-нм техпроцесса). Все три 7-нм узла от Samsung также не дотягивают до отметки 100 млн.

Всё дело в том, что 10-нанометровая технология от Intel была очень амбициозной – настолько, что в 2017 г. компания добавила метку «Hyper Scaling», чтобы обратить внимание на увеличенную плотность. Оглядываясь назад, можно утверждать, что ожидания оказались завышенными. Всё потому, что Intel сделала конечный узел на основе текущей литографии с применением дальнего УФ излучения (DUV). Если в двух словах, размер компонентов в микросхеме определяется длиной световой волны, используемой в литографических процессах. Эти процессы гравируют компоненты на поверхности кремниевой подложки, а из кремниевых пластин вырезаются ПК процессоры.

Это не прямая зависимость. Влияние также могут оказывать различные техники и вспомогательные опции, например, маски, используемые фактически в качестве множителя, которые сокращают размеры компонентов ниже фактической длины световой волны.

Оборудование для изготовления чипов, применяющее установки DUV, использует УФ-излучение с длиной волны 193 нм. Однако есть лимит относительно плотности расположения транзисторов при данной длине волны. Intel же превысила это предел.

Как результат, позорная задержка выпуска продукции на целых пять лет. Это вечность с точки зрения динамики объёмов Intel и закона Мура. Даже сейчас есть признаки того, что 10-нм техпроцесс не является тем, чем должен быть. Так Ice Lake, новые мобильные процессоры десятого поколения разгоняются медленнее, чем их 14-нм предшественники. Самые быстрые 10-нанометровые процессоры Ice Lake Core i7-1065G7 развивают максимальную скорость при 3,9 ГГц, при том, что Core i7-8665U восьмого поколения на целых 900 МГц быстрее. Это чертовски много, а значит что-то в производственном процессе идёт не так.

Ещё одно доказательство, что 10-нм техпроцесс не оправдал ожиданий Intel, – это сдваивание маломощных процессоров 10-ого поколения. Вместе с нынешними CPU Ice Lake выпускается новое семейство Comet Lake, и оба относят к 10-ому поколению.

Подобно Ice Lake, мобильные процессоры Comet Lake идут в маломощных и ультрамаломощных форматах.

Но в отличие от Ice Lake Comet Lake использует 14-нм, а не 10-нм техпроцесс, и распространяется на 6-ядерные модели при максимальной тактовой частоте 4,9 ГГц.

Как результат, уже сейчас вы можете купить ноутбук с процессором, имеющим логотип Intel 10-ого поколения, однако то, что внутри коробки, может отличаться от заявленного кардинально. Если процессор 2-х или 4-х ядерный, он может быть маломощным или ультрамаломощным. А ещё 10-нанометровым или 14-нанометровым. Он может базироваться на микроархитектуре 2015 года Skylake или совершенно новой – Sunny Cove, и тоже считаться Ice lake.

Проблемы с микроархитектурой

Упоминание Sunny Cove закономерно подводит к нас к другому большому провалу Intel– микроархитектуре. Вплоть до выпуска 10-нм чипов Ice Lake для ультрапортативных ноутбуков в конце прошлого года огромное количество процессоров для настольных компьютеров, ноутбуков и серверов базировалась на 14-нм техпроцессе, дебютировавшем в 2014 году, и архитектуре Skylake, появившейся в 2015 году. Обоих правили тысячи раз, однако никаких коренных изменений в обновлениях не было.

Более того, со времени появления микроархитектуры Nehalem в 2008 году Intel могла предложить лишь 4 ядра для процессоров в популярных моделях ПК. Так продолжалось до релиза в 2017 году микроархетиктуры Coffee Lake, эволюционировавшей версии Skylake, и последующим увеличением до шести ядер. Почти десять лет Intel не увеличивала число ядер для серийно выпускаемых моделей продуктов.

Чуть меньше чем за два с половиной года Intel подняла планку до 10 ядер для популярных десктопных процессоров, выпустив Comet Lake – повторную обновлённую сборку Skylake, принадлежащую к семейству 14-нм процессоров. Получается, что в течение 10 лет не было никаких сдвигов, а потом произошло увеличение в 2,5 раза за короткий промежуток времени. Что же могло привести к такому резкому увеличению числа ядер после длительного застоя? Причина этому – появление архитектуры Zen от AMD и процессоров Ryzen, первое поколение которых вышло в 2017 году. Проще говоря, Intel ленилась до тех пор, пока у неё не появился конкурент.
Конечно, даже с десятью ядрами Intel сильно уступает AMD, которая в настоящее предлагает 16 ядер в популярных ПК с процессорами Ryzen 3-ого поколения. Их преимущество заключается также в том, что они созданы на базе 7-нм техпроцесса от TSMC.

В мобильном сегменте дела у Intel не лучше. В новой линейке 7-нм гибридных процессоров Renoir от AMD восемь ядер Zen 2 мощностью в 15 ватт. Intel удалось сделать лишь 6-ядерный Comet Lake Core-i7 10810U в качестве конкурента. Это процессор с тактовой частотой всего лишь 1,1 ГГц. В 15-тиваттный Ryzen 7 4800U запаковано 8 ядер, его частота — 1,8 ГГц. Отнюдь не лестное сравнение.

Взгляд в будущее

Вот вам версия обвинения. Прошедшие несколько лет не были плодотворными для Intel с технологической точки зрения. Джордж Дэвис, финансовый директор компании, так сказал о 10-нм провале: «Этот технологический узел точно не будет лучшим в истории Intel. Он менее производителен, чем 14-нм техпроцесс, и менее производителен, чем 22-нм техпроцесс». Но так ли уж катастрофичны последствия текущих трудностей Intel?

С точки зрения финансовой перспективы, на этот вопрос можно ответить однозначно – нет. В действительности не только текущее положение не так уж плохо, по факту проблемы нет вообще. В 2019 году доходы Intel достигли рекордных показателей. С середины 2018 года её продажи не падали из-за технологической стагнации, а сам производитель испытывал трудности с удовлетворением спроса на свои 14-нм процессоры.

Если копнуть глубже, то можно прийти к выводу, что по крайней мере часть проблемы заключается в технологическом процессе. Число ядер в серверных процессорах Intel резко увеличилось с приходом 14-нм эры. Сейчас Intel предлагает целых 28 ядер в одном кристалле процессора. Это значит, что чем больше ядер в одинаковом процессе, тем меньше процессоров можно извлечь из одной полупроводниковой пластины, что в свою очередь может привести к ограничению предложения.

Но, как ни крути, Intel не испытывает никаких финансовых трудностей, и это обстоятельство является главной причиной, почему производитель может дать достойный ответ соперникам в плане продукции и технологии.

И этот эффект уже виден. В процессорах Ice Lake появилась новая микроархитектура, известная как Sunny Cove. Она улучшает производительность тактовой частоты на 18% по сравнению с Coffee Lake, доработкой микроархитектуры Skylake.

И это только начало. Решающим фактором в возрождении микроархитектуры Intel стало включение в команду Джима Келлера, возглавившего группу по разработке микропроцессоров.
И хотя он собирается покинуть этот пост через полгода, нельзя недооценивать вклад, который он может внести в развитие компании. Келлер – один из уважаемых, если не самый уважаемый архитектор микропроцессоров.

Он стал известен благодаря разработке микроархитектуры процессора K8 под кодовым именем Athlon 64 и первого чипа от AMD, составившего достойную конкуренцию Intel. Позже Келлер работал в Apple, создав дизайн серии процессоров собственного производства на базе ARM, впоследствии занявших лидирующие позиции рынке смартфонов и планшетов. В 2012 году Келлер вернулся в AMD, руководя разработкой микроархитектуры Zen и в очередной раз снабжая AMD инструментами для борьбы с Intel. После краткого пребывания на посту главы команды разработчиков электромобиля Tesla Келлер занял должность старшего вице-президента Intel в апреле 2018 года.
Учитывая промежуток времени между созданием дизайна и концепции микроархитектуры процессоров и началом продаж продуктов, весьма маловероятно, что новые ядра Sunny Cove внутри процессоров Ice Lake – работа Келлера. То же будет верно и для последующей за Sunny Cove архитектуры Willow Cove. Её планируют выпустить в конце этого года для семейства 14-нм бэкпортированных, т. е. применяющих «обратный перенос» новой микроархитектуры на «старый» техпроцесс, процессоров Rocket Lake.

Микроархитектура Golden Cove станет ещё большим шагом вперёд и заложит основу для планируемых к выпуску процессоров Alder Lake в конце следующего года. Но даже Golden Cove не может считаться полноценным творением Келлера. Для этого нам надо дождаться появления Ocean Cove, которая выйдет в 2022 или 2023 году, хотя скорый уход Келлера будет означать, что его влияние на данный проект будет, скорее всего, в некоторой степени ограничено.

Про Ocean Cove пока нет никаких официальных данных. Недавно появились слухи о том, что производительность данной микроархитектуры будет выше на 80%, чем Skylake. И хотя это всего лишь слухи, мы знаем наверняка, что у Келлера выдающийся послужной список и что Intel имеет грандиозный стратегический план, гораздо масштабнее, чем много лет назад. Как сказал Келлер: «Мы планируем увеличить число транзисторов в 50 раз и сделать всё, чтобы выжать максимум от каждого стека».

В то же время следующие за проблемными 10-нм процессорами 7-нм CPU не столкнутся с теми же ограничениями, с какими столкнулись их предшественники. Для производства 7-нм процессоров будет использована литография экстремального ультрафиолетового диапазона (EUV) с длиной волны размером до 13,5 нм. Другими словами, 7-нм техпроцесс кардинально поменялся. Время покажет, однако сейчас определённо можно сказать, что прогнозы Intel слишком оптимистичны.
Intel планирует ускорить переход от 7-нм к 5-нм и последующим техпроцессам. Это означает, что производитель будет активно развивать новую технологию в противоположность нынешней затратной, даже если это потребует вложений в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Более того, с привлечением EUV -литографии Intel рассчитывает вернуться к прежним темпам выпуска продукции – 1 раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до релиза 1,4-нм технологии в 2029 году. «Я думаю, что EUV поможет нам вернуться к темпу, с которым увеличивается число транзисторов согласно закону Мура», — сказал Девис.

Всё это вместе взятое создаёт впечатление, что Intel возвращает стандарты создания самых передовых архитектур и самых быстрых процессоров. Произойдёт ли это –другой вопрос. Сейчас AMD находится, пожалуй, в лучшем положении, чем Intel, несмотря на то, что последняя прилагает значительно больше усилий. Стратегический план развития микроархитектур AMD, в том числе Zen 3 и Zen 4, вкупе с технологическими решениями TSMC будут содействовать усилению конкуренции между двумя производителями. Однако мы не будем предрекать поражение Intel.
В конце концов, последний раз, когда NetBurst и Pentium 4 доживали свой век и дела у Intel застопорились, ответом её была династия Core и лидерство на рынке процессоров на протяжении десятилетия.