Út a maszkig
Visszatérve a tervezés folyamatára, a 20-30 főre bővült csapatra milyen feladat vár?
Ez a team készíti el az ún. ciklushelyes szimulátort, amely pontosan úgy viselkedik, mint ahogy a processzor fog: képes utasítások feldolgozására, programok futtatására. Egy jól megírt szimulátoron be lehet bootolni egy operációs rendszert, lehet futtatni egy Solarist például.
A szimulátor maga jellemzően egy elosztott rendszeren fut, a Sunnál 2000 gépből áll ez a farm. Az egyenértékű órajel azonban még így is csak néhány megahertz közelében van, ami jól mutatja a ciklushelyes szimuláció óriási erőforrásigényét. Ezen az elosztott rendszeren futtatják – operációs rendszeren vagy közvetlenül – azokat a trace-eket, amelyeket begyűjtöttek, és vizsgálják, hogy milyen gyorsan dolgozik a processzor, hogyan működnek az egyes komponensek. Az eredmények alapján pedig úgy módosítják az eredeti terveket, hogy a kívánt célkitűzésekhez közelebb kerüljenek. Amikor aztán sikerül elérni egy többé-kevésbé elfogadható konszenzust a teljesítmény szempontjából – és ebbe nemcsak a mérnököknek van beleszólása, hanem a menedzsmentnek és a marketingnek is –, elkezdődhet a tényleges fizikai tervezés.
Ekkor a tervezőgárda létszáma fölszalad több száz emberre, akik együtt dolgoznak a chip gyártásával megbízott félvezetőgyártóval. Ezért nem olyan triviális a gyártóváltás, ahogy sokan gondolják. A fórumokban gyakran felmerül az az érv, hogy ha az egyik gyártó nem tudja elkészíteni a chipet, majd legyártatják egy másikkal. Egy ilyen váltás legalább egy évet vesz igénybe, és egyáltalán nem is biztos, hogy sikeres lesz. Mert ahány gyártó, annyiféle gyártási technológia létezik, aminek az elérhető frekvenciában, disszipációban és számos más tekintetben is vannak következményei.
Gondolom, az sem mindegy, hogy a processzort tervező cégnek van-e saját gyára...
Ez nem számít. Ebben a fázisban, amikor a több száz fős mérnökcsapat logikai áramkörök – de még mindig nem tranzisztorok – szintjén megalkotja a processzort, már csak úgy lehet dolgozni, hogy tudják: ki fogja a chipet legyártani. Itt ugyanis már a gyártó ún. libraryjeit, elektronikai könyvtárait kell felhasználni a munka során.
Ma egyébként mindenki azt gondolja, hogy az Intelnek van a legjobb technológiája. De ez nem igaz – ma már nem. Ma a tajvani cégek, a TSMC, a UMC és a többi távol-keleti gyártó lényegesen jobb technológiát tud felmutatni. Sokkal hamarabb volt például működőképes 65 nanométeres gyártásuk, és most már kacsingatnak a 45 nanométer felé. Meglehet, hogy az Intel készített először 45 nanométeren labormintákat, de a nagy bonyolultságú integrált áramkörök sorozatgyártásában valószínűleg nem ők lesznek az elsők.
Ez egy új fejlemény. Néhány éve még az IBM volt az egyik, ha nem „a” legfejlettebb félvezetőgyártó, a Sun is gyártatott velük chipeket. Akkoriban próbát tettünk a tajvani gyártókkal is. Volt egy olyan processzorunk, amelyet az egyik tajvani szerződéses gyártóhoz igazítottunk, de végül nem tudták legyártani – csúfos kudarc lett a vége. Ez mára megváltozott. Az NVIDIA és az ATI is megmaradt a tajvani szerződéses gyártóknál, pedig ma már a grafikus processzorok esetében is beszélhetünk 700 millió tranzisztorról. Most tehát láthatóan ott megy a legjobban – hogy ez így marad-e, az más kérdés.
Erről valóban ritkán hallani. De térjünk vissza a processzortervezés folyamatához! Megvolt tehát a ciklushelyes modell...
Igen, mondjuk C-ben. Ekkor a több száz fősre duzzadt dizájnteam valamilyen hardverleíró nyelven – leggyakrabban Verilogban – elkészíti a processzor modelljét. A Sun Niagara esetében a funkcionális és viselkedésbeli modell forrása – amely publikus, bárki által letölthető – tömörítve körülbelül 2, kitömörítve 5-6 megabájt. Ebben vezetékek, multiplexerek és ehhez hasonló viszonylag kis egységek szintjén van modellezve a processzor.
Kétmagos processzorok a szilíciumszeleten (Fotó: Sven Döring, AMD)
Ennek alapján el lehet készíteni a chipet?
Igen. A Verilog kódot be kell töltetni egy elektronikus tervezésautomatizálási (EDA) eszközbe, amely tudja azt olvasni. Ehhez szükség van a gyártó összes libraryjére is. Ha mindez megvan, el lehet készíteni a levilágításhoz szükséges maszkot. De a maszk elkészítése előtt akad még tennivaló: például ellenőrizni kell a chipet jelintegritás, jel-zaj viszony szempontjából, és egyáltalán meg kell vizsgálni, hogy úgy működik-e, ahogy terveztük. És akkor iterálunk. Ha kiderül például, hogy nem lehet elérni a 2 GHz-es működési frekvenciát, fel kell tenni a kérdést: vajon elfogadható-e az 1,8 GHz? És így tovább. Ez egy játék, egy néhány éves játék.
Néhány éves?
Bizony. A koncepcionális tervezés egy-két évet vett igénybe, ez a stáció pedig még legalább másfél év – ha nem merül fel komolyabb probléma. Ha igen, akkor tovább nyúlik a folyamat.
Ebben a fázisban már mérnökök dolgoznak?
Áramkör-technológiai mérnökök, olyan emberek, akik integrált áramköröket tudnak tervezni, ismerik a modellező szoftvereket, a Verilogot, és tudják, hogy a tranzisztorok szintjén hogyan lehet megvalósítani a chipet. Ilyen szakembereket nálunk a Műegyetem mikroelektronikai, technológiai tanszékén képeznek. A belőlük álló több száz fős csapatnak körülbelül másfél-két éves munka elkészíteni az ún. tape-outot. Ez alapján készül el a maszk, amelyet le lehet adni a félvezetőgyártónak. Aztán pedig bízni kell abban, hogy a chip működni fog, és viszonylag kevés hiba maradt benne.
Ha jól tudom, a gyártás hetekig tart?
Hónapokig. A gyártási folyamat általában egy-két hónap.
Egy tesztpéldány elkészítése például...
...két hónap, tipikusan két hónap. A Sunnál – ez publikus információ – január 5-én volt a Rock tape-outja, március közepén érkeztek meg az első minták. De a minta elkészítése ennél tovább is elhúzódhat, mert a gyártási tervbe be kell illeszteni a tesztchipet, hiszen csak úgy nem kopoghatok be a maszkokkal. Ezért előfordulhat, hogy egy-két hónapot is kell várni arra, hogy egyáltalán megkezdjék az önmagában is két hónapig tartó gyártást. Ez a mai csúcsprocesszorok – akár a Core 2 Duo, akár az Opteron, a Power vagy a SPARC – esetében ennyi időt vesz igénybe.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
