Főkonstruktőr

A számítógépeinkben használt mikroprocesszorokról – ha egyáltalán tudomást veszünk róluk – néhány világos szempont alapján szoktunk ítéletet mondani. Ilyen az általunk fontosnak tartott alkalmazásokban nyújtott teljesítmény, a fogyasztás és esetleg a túlhajthatóság. Hogy egy adott chip e szempontok szerint végül hogy teljesít, az azonban rendkívül sok tényezőtől – sőt véletlentől – függ. Ezek java részét a tervezés során meghozott döntések befolyásolják.

A tervezés és a gyártás folyamatáról azonban többnyire csak keveset tudunk, talán azért is, mert a nagy bonyolultságú integrált áramkörök fejlesztésének és előállításának Magyarországon nincs hagyománya. Ennek ellenére dolgoznak olyan szakemberek hazánkban, akik közeli kapcsolatban állnak e területtel. Egyiküket, Fischer Eriket, a Sun Microsystems Kft. műszaki igazgatóját kérdeztük arról, hogy hogyan is készülnek a komplex processzorok.

Egy mikroprocesszor útja az ötlettől a megvalósításig alighanem hosszú. Hol kezdődik?

Egy új, nagy teljesítményű processzor tervezése időigényes folyamat, általában 3-5 évet vesz igénybe. A munka úgy indul, hogy összeáll egy öt-hat fős team, egy főkonstruktőr (chief architect) és még négy-öt olyan szakember, akiknek már van tapasztalata a CPU-tervezésben.

Mi az ő feladatuk? Az általános irányvonalak – például hogy többmagos vagy többszálú legyen a chip – meghatározása?

Igen, ők fektetik le a fő irányvonalakat. Ez körülbelül egy 40 000 paraméteres tervezési tér, amelyben szimuláció nélkül lehetetlen mozogni. Hogy egy egyszerű példát mondjak: a cache-tervezés önmagában 40-50 paraméter. Ezeket kell úgy összerostálni, hogy az előző generációhoz képest legalább egy kétszeres szorzót kapjunk.

Teljesítményben?

Igen, teljesítményben. A tervezés indulásakor minden új processzortól azt várják, hogy legalább 100 százalékkal teljesítsen jobban a korábbi generációnál.

Ebben a fázisban elemzik azokat az ötleteket is, amelyek az egyetemeken előkerültek. Az akadémiai elképzeléseknek azonban az az előnye, ami a hátránya: nem kell őket szilíciumban megvalósítani. A szakirodalomban leírt megoldások körülbelül 90 százaléka használhatatlan, mert a kivitelezésük fizikailag lehetetlen. Azaz amikor eljutunk odáig, hogy 90, 65 vagy 45 nanométeres technológiával meg kellene effektíve csinálni őket, kiderül, hogy ez lehetetlen. Hiába, ma a tudományos életben a szimulációs munkák igen ritkán jutnak el odáig, hogy az ötleteket ilyen alacsony szinten is modellezzék.

Ettől függetlenül nem kell azt gondolni, hogy a kutatás fölösleges, hiszen ahogy telik az idő, fejlődik a gyártástechnológia, a teóriák úgy csorognak vissza a tervezésbe. Nagyon sok jó ötlet születik, amelyeket részben vagy egészben föl lehet használni a gyakorlatban.

Tehát a kurrens tudományos eredmények mérlegelése is része ennek a stációnak?

Természetesen. Ez egy egy-két éves gondolkodási folyamat, amelyet a nagy cégeknél segít az, hogy komoly tapasztalatokra lehet támaszkodni, mert mindennek van előélete. Elengedhetetlen például, hogy legyenek releváns minták arra vonatkozóan, hogy hogyan működnek az alkalmazások egy adott processzoron. Ezeket általában ún. trace-ekkel vizsgálják, melyek egy adott alkalmazás utasításfolyamának a mintái – például egymilliárd utasítás egy Oracle-benchmarkból. Ilyen alkalmazásszeleteken próbálják felmérni egy későbbi fázisban azt, hogy mire lesz képes az új processzor a jelenlegi chipekkel összehasonlítva.

Ezek megléte tehát feltétele a tervezési munka megkezdésének?

Így van. Ennek az infrastruktúrának a felépítése, ha nulláról kellene kezdeni, hónapokat venne igénybe, de a processzortervezéssel foglalkozó nagy cégeknél mindez már adott. Így indulhat meg az az egy-két éves koncepcionális tervezés, amelyről beszéltem. Ezt követően a team fölszaporodik körülbelül 20-30 emberre – persze a létszám gyártótól függően változhat. A Pentium Pro esetében például a szimulátor mindössze hat ember munkája volt.

Nagyjából ez volt az az időszak, a P5 (Pentium) és P6 (Pentium Pro) architektúra között, amikor a néhány százezres tranzisztorszám hirtelen több millióra ugrott...

Ez igaz, de félrevezető is egyben, mert ezeknek a tranzisztoroknak a java része memória. Annak a tervezése viszont rendkívül egyszerű, mert csak hattranzisztoros cellákat kell egymás mellé pakolni, hiszen a gyorsítótárakban használt SRAM egy bitje – általában – hat tranzisztorból áll. Ebből már lehet kalkulálni. Persze a redundanciát is bele kell számolni, mert redundancia nélkül ma nem lehet gyártani. Ez is egy tervezési paraméter, hogy mekkora redundanciára van szükség.

Azaz eleve több memóriát tesznek a processzorba?

Persze. Minden esetben több cache van a processzorban, mint amennyit használnak, a többit deaktiválják. És az mindig komoly kérdés, hogy mennyi legyen a redundancia. A mai, több megabájtos cache-ek esetében gyártótól függően ez néhány százaléktól tíz százalékig terjed. Erre azért van szükség, mert a gyártásnak van egy haranggörbéje. Amiből a legtöbbet akarják gyártani, azt kell a haranggörbe közepére pozicionálni, hogy az garantáltan jó legyen. Pontosan annyi redundanciát terveznek hozzá, amennyi ehhez szükséges. Mert mindegyik chipen van hiba. Ma a fejlett gyártástechnológiával gyártott, 130-140 négyzetmilliméternél nagyobb integrált áramkörök mindegyikében van gyártási hiba. Ezek nem fatális hibák, de mivel a cache nagy felületet foglal el, nagyobb eséllyel is lesz hibás – ezért fontos a redundancia.

A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!