Системы-на-кристалле открывают новый фронт войны чипов. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2012

В первой части статьи обсуждались новые тенденции и точки перегиба в развитии полупроводниковой отрасли, способные существенно изменить ее облик. Снижение темпов масштабирования, определяемых законом Мура, возрастающая значимость систем-на-кристалле и стремительный рост рынка мобильных устройств, играют на руку экосистеме кремниевого производства и конструирования. Ожидается, что развивающаяся вокруг ARM экосистема продолжит отщипывать кусочки от рынка ядер Intel, в то время как внедрение процессоров на основе ARM в ноутбуки и серверы будет ускоряться. Это создает новые угрозы для Intel, ответ на которые определит характер отрасли в ближайшее десятилетие.

Intel в открытой экосистеме

Облик компьютерной и программной индустрии 1980-х годов определялся войной операционных систем Microsoft и Apple, в которой победила модель открытой экосистемы компании Microsoft. Windows де-факто стала операционной системой персональных компьютеров. Парадоксально, но своей поддержкой открытой экосистемы в индустрии персональных компьютеров Microsoft породила закрытую экосистему в индустрии производства чипов. Альянс Wintel был гарантией того, что Windows может работать только на процессорах архитектуры x86, созданной и монопольно продвигаемой компанией Intel. (Advanced Micro Devices тоже использовала архитектуру x86, но ее рыночная доля была несоизмерима с Intel).

Отличительной чертой пост-ПК эпохи стало появление открытой экосистемы внутри полупроводниковой промышленности. На смену прошлому господству Wintel приходит конкуренция ОС (iOS, Android или Windows 8) и конкуренция процессорных архитектур (x86 или ARM). Основной движущей силой стали ОС для ARM-систем. Android, iOS или Windows 8 – все будут работать на платформе ARM, в то время как с x86 будут совместимы только Android и Windows 8.

В этой фрагментированной и открытой экосистеме война чипов будет идти на трех фронтах: SoC/системная интеграция, ЦПУ/архитектура процессоров и кремний/полупроводниковые технологии. Выбор архитектуры транзисторов будет оказывать сильнейшее влияние на результат в каждой сфере. И, несмотря на то, что производительность и потребляемая мощность будут оставаться важными показателями, открытая экосистема, поддерживающая мировой потребительский рынок, ключевыми критериями успеха на всех фронтах сделает стоимость.

SoC/системная интеграция

Битва за архитектуру процессоров на рынке мобильных SoC разгорится между Intel, с одной стороны, и целым пластом таких компаний, как Qualcomm, Samsung и TI, с другой.

В мире современных портативных устройств с ограниченными ресурсами питания эффективнее интегрировать на одном кристалле множество аппаратных ускорителей, чем ориентироваться на выполняющее большинство функций единственное универсальное ядро.

Ядра с низким энергопотреблением окружают такой разношерстной периферией, как радио, GPS, модем, процессоры обработки изображений и аудио/видео, интерфейс USB и графический процессор. Различие между традиционным ЦП и интегрированной SoC наглядно продемонстрировано рисунком в предыдущей части статьи. Для подобных модульных систем экономически более эффективна открытая экосистема.

Исторически сложилось так, что Intel, как производитель интегральных схем, самостоятельно разработала бóльшую часть высокотехнологичных функциональных блоков, используя собственную технологию изготовления транзисторов и собственные проектные нормы. Переход Intel к архитектуре самых совершенных в отрасли трехмерных транзисторов дает компании серьезное преимущество в сегменте ЦП.

Модель трехмерного транзистора

Способность Intel конкурировать на рынке SoC для мобильных устройств будет определяться тем, насколько хорошо ей удастся приспособить трехмерные транзисторы к противоречивым требованиям сложных мобильных SoC. Сумев освоить разработку и производство трехмерных транзисторов для всего спектра производительности и мощности, она получит огромное преимущество над конкурентами.

Но Intel придется добиваться преимущества и в ценовой сфере. Средняя цена реализации SoC составляет лишь небольшую часть от средней цены прибора на рынке ЦП. Применимость трехмерных транзисторов для аналоговой и радиочастотной схемотехники пока остается неизвестной, поэтому, вполне возможно, потребуются решения типа система-в-корпусе (system-in-package – SiP), намного более дорогостоящие, чем SoC. И, в то время, как фаблесс-компании, такакие например, как Qualcomm, имеют возможность заключать с кремниевыми фабриками самые выгодные соглашения, у Intel средняя цена продаж должна быть достаточно высокой, чтобы компенсировать затраты на разработку и капиталовложения в новые производственные мощности.

Вероятно, Intel попытается решать проблему расширения функциональности за счет приобретенного в 2011 году беспроводного бизнеса Infineon. Однако совмещение производственных стандартов Infineon с проектными нормами Intel будет совсем не тривиальной задачей. В отличие от этого, приобретение Atheros компанией Qualcomm произошло весьма гладко, так как интеллектуальная собственность в открытой экосистеме априори совместима с возможностями кремниевых фабрик.

Влияние на рынок дешевых мобильных SoC может стать для Intel точкой еще более серьезного стратегического перелома, чем ПК бюджетной категории в конце 1990-х годов.

ЦПУ/архитектура процессоров

Основная битва на фронте ЦП происходит между архитектурами x86 и ARM. В то время как процессоры Intel долгое время лидируют в производительности, ядра на основе ARM не имеют себе равных по соотношению производительность/цена.

Для успешного противостояния напору ARM Intel должна будет сделать свои ядра серии Atom настолько энергоэффективными, насколько это только возможно. Для создания действительно маломощных процессорных ядер Intel, возможно, придется отказаться от архитектуры x86 в процессорах Atom и развивать линию упрощенных устройств, конкурентоспособных по показателю производительность /мощность. Помимо этого Intel должна проявить исключительную предприимчивость и настойчивость, чтобы влиться в громадную, надежную, сформировавшуюся программную экосистему ARM.

Двухъядерный процессор Atom

В первые годы эры ПК, вследствие господства архитектуры x86, вокруг них выросла целая экосистема прикладного ПО. Это фактически исключало, или, по крайней мере, серьезно препятствовало закреплению на рынке конкурирующих архитектур, таких как Power-PC.

На сегодняшнем пост-ПК пространстве архитектура ARM для мобильных SoC чувствует себя весьма уверенно. Все более широкое проникновение ARM в самые различные устройства, от смартфонов и планшетных компьютеров, до телевизоров и автомобилей, препятствует продвижению архитектуры Atom. С практической точки зрения, если Intel надеется получить существенную долю на рынке мобильных устройств, ей придется обеспечить совместимость с программной экосистемой ARM.

Это вынудит Intel вступить в ценовую конкуренцию, что, в конечном счете, приведет к ограничению уровня доходов компании. В сегменте ПК Intel с подобной динамикой до сих пор сталкиваться не приходилось.

Кремний/полупроводниковые технологии

Intel умеет создавать транзисторы с высочайшими и недоступными для других параметрами. Это умение очень хорошо служило Intel в закрытой экосистеме, в которой компания, фактически, конкурировала сама с собой в стремлении создать еще более совершенный транзистор. В закрытой экосистеме производительность была важнее мощности, и цена, по которой продавалась продукция, не становилась существенным ограничителем.

Однако в открытой экосистеме первостепенное значение приобретает способность к интеграции разнотипных функциональных ускорителей, максимально эффективных по стоимости и энергопотреблению.

Например, Samsung с успехом могла производить для Apple процессор A5 на основе достаточно устаревших транзисторов с топологическими нормами 45 нм, интегрировав на одном кристалле множество сложных функциональных блоков от разных разработчиков, и продавать его дешевле $20. Минимальная ширина металлических межсоединений была примерно такой же, как на более совершенных пластинах Intel, изготавливаемых по технологии 32 нм, при том, что стоимость пластин с 32- и 28-нм транзисторами намного выше, чем с транзисторами 45 нм. Даже с устаревшими транзисторами Samsung удалось предложить изделие, лучшее в своем классе по плотности упаковки и потребляемой мощности, одновременно обеспечив вполне удовлетворительную производительность.

Процессор A5, разработанный Samsung для компании Apple

Вполне логично, что компании подобные Apple или Qualcomm, как правило, предпочитают конструировать свои изделия, ориентируясь на стандартные технологические процессы, позволяющие без проблем переносить производство с одной фабрики на другую для поддержания приемлемого уровня цен. В открытой кремниевой экосистеме радикальные различия в производственных стандартах лишь увеличивают высоту барьера, стоящего на пути обновления продукции. Если внедрение трехмерных транзисторов, вследствие их высокой стоимости, сложности и большого объема необходимых инноваций, станет для кремниевых фабрик серьезной проблемой, экосистема конструирования и производства, возможно, будет концентрироваться в дальнейшем вокруг планарных транзисторов.

Основываясь на утверждениях, высказанных в Части 1 и 2 статьи, можно предположить, что облик полупроводниковой промышленности в течение ближайших десяти лет, скорее всего, будут определять следующие тенденции:

1. Технологические нормы 28 нм продержатся, по крайней мере, пять лет. Инновационные усилия кремниевых фабрик, направленные на улучшение энергопотребления, производительности и стоимости, продлят активную жизнь 28-нм транзисторов. Технология транзисторов с поликремниевым затвором, скорее всего, возродится в 28-нм проектных нормах, как самая дешевая и нерискованная для мобильных платформ, не требующих сверхвысокой производительности.
    
2. Чем дольше продержится технология 28 нм, тем более солидным будет запас времени на разработку и внедрение 20-нанометровой технологии. 20-нм проектные нормы, с учетом туманных перспектив технологии 14 нм, также ожидает долгая жизнь (по крайней мере, 5 лет).
    
3. Intel укрепит свое лидерство в трехмерных транзисторах, создав новые приборы за пределами границы 22 нм, и продолжит доминировать в сегменте ЦП/серверов, ощущая, однако, растущую конкуренцию со стороны экосистемы ARM. В течение последующих пяти лет мы станем свидетелями появления серверов на основе ARM, о планах создания которых уже объявили альянс Hewlett-Packard/ Calxeda, а также Nvidia, Applied Micro и Marvell. Использование открытой экосистемы с настраиваемой конфигурацией позволит этим новым участникам игры значительно снизить цену и потребляемую мощность будущих изделий.
    
4. Обособленность от открытой экосистемы может помешать усилиям Intel получить свою долю в системном сегменте мобильного рынка. Судя по последним сообщениям, десятилетиями слепо плетущаяся за Intel компания AMD, бывший главный ее соперник, теперь все пристальнее присматривается к SoC как к средству оперативного реагирования на запросы рынка мобильных устройств. AMD не планирует полностью отказываться от использования архитектуры x86, но, в тоже время, готова при необходимости приобрести лицензии на ядра ARM, что указывает на ясное понимание компанией сущности происходящих перемен.
    
5. В условиях, когда исход конкурентной борьбы определяется стоимостью и энергоэкономичностью, интеграция на чипе аппаратных ускорителей (модемы, ЦП, графика и т.п.) будет исключительно эффективной. По сравнению с централизованными ядрами процессоров, SoC будут намного предпочтительнее, в особенности в изделиях формата планшетных компьютеров и ультрабуков.
    
6. Наиболее драматическая битва разгорится в текущем и следующем годах между SoC компании Intel, созданной на 22-нм трехмерных транзисторах (Silvermont будет запущен в 2013 году), и SoC альянса Qualcomm/TSMC на планарных 28-нм транзисторах (Snapdragon S4 появится в 2012 году). Фактически, это будет прямая дуэль между старыми планарными и новейшими непланарным транзисторами.
    
7. Переход на кремниевые пластины диаметром 450 мм потенциально может разрушить модель ценообразования в отрасли. Избыточная инфраструктура полностью автоматизированных 300-мм фабрик и сохраняющаяся неопределенность с внедрением EUV-литографии не позволяют с уверенностью прогнозировать, во что трансформируется эта модель в обозримом будущем.