Objavljeno: 31.5.2022 | Monitor Junij 2022

Ko primanjkuje čipov

Ni nas zasul le pravi plaz težav, ki je vplival na dobavo – pandemija, trgovinska vojna, eksplozija v tovarni in katastrofalno vreme s sušo ter snežnimi nevihtami –, temveč se je hkrati povpraševanje po enem najbolj iskanih izdelkov na svetu povečalo kot še nikoli – govorimo o trgu, na katerem se v enem mesecu obrne skoraj 50 milijard dolarjev.

Mathew Sparkes, New Scientist

Kljub temu je lani pomanjkanje računalniških čipov po vsem svetu, zaradi česar se je podražilo vse od prenosnikov do hladilnikov, marsikoga presenetilo. Zaradi te krize so se države in podjetja po vsem svetu odločili za povečanje proizvodnih zmogljivosti. Hkrati se je osvetlilo dogajanje v panogi, katere izdelki so postali nepogrešljivi in se jih vgrajuje vsepovsod, zato je marsikdo prišel do zaključka, da mora v njej priti do temeljitih sprememb. Kritikom se zdi, da tržni monopol peščice podjetij deluje kot zavora pri inovacijah in povečuje ranljivost panoge za pretrese.

Nekaj velikih imen je zato podprlo drugačen model, po katerem načela sodelovanja in odprte kode, ki so spremenila razvijanje programske opreme, prenašajo tudi na čipe. Zagovorniki tega modela menijo, da je le še vprašanje časa, kdaj bo postal novi standard. Pa bo z njim res mogoče doseči želeno – in kaj bo to pomenilo za nas?

Računalniške čipe vgrajujejo v marsikaj, ne le v prenosnike, računalnike in pametne telefone, temveč tudi v cel kup skrivnostnih strežnikov, ki poganjajo spletno pošto, banko in druge digitalne storitve, ki jih vsak dan uporabljamo. Najti jih je tudi v mnogih mikrovalovnih pečicah, televizorjih, pralnih strojih in urah. V novem avtomobilu je danes v povprečju na stotine čipov.

Pod drobnogledom je v osrčju vseh teh čipov še vedno 60 let star izum: to je kovinskooksidni polprevodni tranzistor na poljski pojav oziroma z angleško kratico MOSFET. Domislica raziskovalcev iz Bell Labs Mohameda Atalla in Dawona Kahnga iz leta 1959 deluje kot drobno stikalo, ki s posebno vezavo opravlja osnovne logične operacije, kot so seštevanje, odštevanje in množenje.

Prvi procesorski čipi so bili izdelani po meri. Tranzistorje so zvezali glede na specifične računske naloge. Ko so računalniki postali bolj zapleteni in bolj razširjeni, so v IBM leta 1964 predstavili svoj sistem 360 (System/360), glavni računalnik, na katerem je bilo mogoče poganjati vrsto različnih programov. Procesor je zmogel osnovne ukaze, to je sešteti ali primerjati dve števili in skočiti na določeno točko v spominu, kar je bilo izhodišče za uvajanje zapletenejših operacij.

Počasi bomo dosegli odločilne meje pri velikosti tranzistorjev.

Programski opremi, ki je uporabljala te čipe, so kmalu na pomoč priskočila orodja za analizo, čiščenje napak in preverjanje koda, prilagojena naboru ukazov in ustroju čipa, ki je to omogočal. To je pomenilo, da programerjem ni bilo več treba upoštevati, kako čipi delujejo na ravni tranzistorjev. A hkrati je peščica uveljavljenih proizvajalcev čipov, ki so zagotavljali dobro znane, stabilne nabore ukazov in zgradbe, dobila veliko večji vpliv.

Takšne razmere vztrajajo še danes. »Ker je zgradba čipa tako stara, pomeni veliko s tem povezane infrastrukture,« je pojasnil Siva Sivaram iz podjetja Western Digital, ki izdeluje trde diske, na katerih je shranjenih 40 odstotkov podatkov na svetu. »Na njih temelji veliko programske opreme, so tudi osnova za operacijske sisteme. Vsi vedo, kaj pomenijo.«

Glavni procesorji v namiznem ali prenosnem računalniku, na primer, delujejo na naboru ukazov x86 na čipih, ki jih je razvil Intel ali druga ameriška družba AMD – ta je na začetku z obratnim inženirstvom uporabila Intelove čipe zaradi združljive zasnove. Podatkovni strežniki lahko uporabljajo IBM z/Architecture, ki izvira iz sistema 360. Mobilniki pogosto uporabljajo zgradbo ARM v lasti britanskega podjetja, ki je nastalo iz Acorn Computers. ARM je prodal več kot 125 milijard čipov, s čimer je njihova zgradba ena najuspešnejših v zgodovini.

Vsa ta podjetja skrbno varujejo svojo intelektualno lastnino. Intel, na primer, edini odloča o zasnovi in proizvodnji svojih čipov. »Pri Intelovem procesorju imajo oni glavno besedo,« je potrdil tudi Cecil Macgregor iz podjetja za shranjevanje podatkov Seagate.

Navsezadnje sta razvoj in proizvodnja novih čipov zahtevna in specializirana panoga. In to še toliko bolj drži, odkar smo se začeli približevati mejam pri majhnosti tranzistorja – trenutni standard je premer petih nanometrov – in temu, koliko jih je mogoče stisniti na en čip. Standardna centralna procesna enota ima danes več jeder, posameznih čipov na čipu, ki lahko delujejo vzporedno. Za algoritme, kot je umetna inteligenca, na kateri temelji virtualni asistent mobilnikov, na primer, ali tiste za hitre tridimenzionalne fizične preračune, da je grafika računalniških iger realistična, so vse pogosteje nujni posebej optimizirani čipi, ki potrebne ukaze izpolnijo hitreje.

Z vse večjo kompleksnostjo čipov postaja pomemben dejavnik tudi varnost.

Patentni model zagotavlja stabilnost in varnost podjetjem, ki strojno opremo razvijajo posebej za posamezni čip, vendar lahko tudi zavira njihov potencial za inovacije. »Koliko spomina je mogoče obesiti na eno jedro? O tem odloča Intel,« je povedal Sivaram. »Če hočeš dodati več spomina, ti rečejo, da kupi še eno jedro. Kot bi ti rekli, da kupi novo hišo, če želiš novo kopalnico.« Pravi, da njegovo podjetje kupi na desetine milijonov čipov na leto, pa še vedno ne more dobiti točno tistega, kar potrebuje.

ARM deluje nekoliko drugače: razvija jedra, vendar končnim uporabnikom proda licence za različne »osnovne okuse«, oni pa jih nadgradijo po svojih potrebah. Seagate je pred dobrimi 20 leti prešel na ta model, kar mu je omogočilo večjo prilagodljivost, ni pa se pretirano prilagodil potrebam uporabnikov: podjetje mora še vedno izbirati iz peščice fiksnih možnosti. »Tudi njim gre za zaslužek, kajne? Torej morajo razmisliti, kateri osnovni okus bo všeč svetu,« je ponazoril. »Zagotoviti želijo čim večjo prodajo.« Zelo velika družba, kot je Apple, se temu lahko izogne in je prešla z Intelovih čipov na ARM, vendar plačuje dodatno in je svoj nezaslišani vpliv izkoristila, da je ustvarila lastni procesor, imenovan M1.

Za nekaj nelagodja je poskrbela tudi nameravana prodaja ARM Nvidii, ameriškemu podjetju, ki razvija grafične procesne enote in čipe za pametne telefone, tablice, avtomobilsko navigacijo in igralne konzole – te tudi izdeluje. (Nvidia je to namero februarja letos preklicala, op. ur.) »Če ste tekmec Nvidie, bi dvakrat premislili, ker uporabljate njihovo jedro,« je povedal Macgregor. Tiskovni predstavnik Nvidie je na vprašanje New Scientista odgovoril, da bi v primeru nakupa vsi kupci ohranili licence za intelektualno lastnino ARM, enako kot doslej. Britanske vlade to očitno ni prepričalo, saj je menda iskala možnost, da bi prevzem onemogočila zaradi predpisov v zvezi s konkurenčnostjo ali z varovanjem državne varnosti.

Z vse večjo kompleksnostjo čipov postajata pomembna dejavnika varnost in zanesljivost. Preizkušanje čipov trenutno pomeni vzorčno testiranje, da se odkrije napake, ali preverjanje vseh mogočih vhodov in izhodov. S prvim pristopom zlahka zgrešimo napake, drugi pa je izvedljiv le za najpreprostejše čipe. Intel je leta 1995 odpoklical približno milijon procesorjev Pentium P5, ko so odkrili napako, ki bi lahko povzročila, da nekatere računske operacije ne bi potekale pravilno. Leta 2011 je odpravljanje napake v čipu Sandy Bridge stalo okoli milijardo dolarjev. Oba zapleta se lahko skrijeta pred napakama, ki so ju odkrili leta 2018, to sta bili Meltdown in Spectre, ki sta vplivali na celo generacijo čipov več proizvajalcev. Celo Applov novi čip M1 je imel nenamerno razvijalsko hibo, ki je veljala za bolj ali manj nedolžno, omogoča pa, da si programa, ki bi morala biti strogo ločena, lahko izmenjujeta podatke.

Dodajte temu še mešanico geopolitične napetosti med dvema največjima igralcema v panogi čipov, ZDA in Kitajsko, pa se vam lahko začne svitati, zakaj nekatere proizvajalce mika drugačen način dela. Mnogi zdaj menijo, da se jim že svita.

Računalnik s skrčenim naborom ukazov (z angleško kratico RISC) izvira iz akademskega projekta, ki se je začel v 80. letih na kalifornijski univerzi v Berkeleyju. Prvotno so si zamislili, da bi čipi lahko postali prožnejši in preprostejši z omejevanjem nabora ukazov na peščico namesto na celotno zbirko za pokrivanje vseh specifičnih, ezoteričnih nalog. Vztrajna ovira za napredek so bile tajne, patentirane zgradbe podjetja, zato so se leta 2010 raziskovalci odločili, da bodo ustvarili lastni čip in nabor ukazov kot izobraževalno orodje. Poimenovali so ga RISC-V, saj je bil to peti raziskovalni projekt, pri katerem je sodeloval soizumitelj David Patterson. Ko so študenti, ki so svoje znanje pridobivali z RISC-V, napredovali, je zasnova postala uporabna tudi za konkretne namene.

Leta 2015 so zgradbo prenesli na neprofitno družbo RISC-V International, ki je nadzorovala razvoj. Velika prednost zasnove je, da je odprtokodna, torej se opira na model, ki pri razvijanju programske opreme postaja standarden. Sploh odprtokodni operacijski sistem Linux je osnova za okolje Android, ki ga podpira Google in je najbolj priljubljeni operacijski sistem za pametne telefone na svetu. Poganja tudi več kot polovico najzmogljivejših superračunalnikov na svetu.

Odprte zapornice

Odprtokodni pristop celotnim skupnostim razvijalcev omogoča nenehno optimiziranje standarda RISC-V, s čimer zagotavljajo, da dela gladko brez zoprnih varnostnih napak in stranskih vrat. »Odprtokodnost je največ, kar lahko storim,« razmišlja Sivaram. »Da milijon ljudem omogočim iskanje hrošča v svoji kodi.« Razlogi za vse odločitve o zgradbi so javno dokumentirani in vsak posameznik ali podjetje lahko sodeluje pri razvoju – in ga brezplačno prenaredi za svoje lastne izdelke. »Izdelaš lahko najrazličnejše okuse, ga začiniš,« je nadaljeval Macgregor.

Jasno je, zakaj je to zanimivo za proizvajalce naprav: izdelajo cenejše izdelke z nižjimi stroški za licenciranje in uporabijo čipe, zasnovane posebej za izbrano nalogo, kar lahko pomeni boljše delovanje in daljšo življenjsko dobo baterije. Nekatera podjetja so hitro zagrizla, med njimi Seagate, čeprav na začetku uradno ni napovedal razvoja izdelka s čipi RISC-V. Macgregor ni želel izdati, za kaj podjetje uporablja ta standard, le da čipi po meri pomenijo prednost v konkurenčnem boju.

Drugi so bili manj skrivnostni. Western Digital se je povsem preusmeril na RISC-V, je povedal Sivaram. Čip te vrste, zasnovan za točno določeno funkcijo, je nekoliko manjši in učinkovitejši z manj moči kot konfekcijski čip, saj za seboj ne vleče podedovane prtljage, je še dodal. Leta 2016 je Nvidia napovedala, da bo čipe RISC-V vgrajevala v svoje grafične procesne enote, in to je obveljalo kljub nameri za prevzem ARM.

Sivaram je prepričan, da je to šele začetek. »Ne pravim, da se bo zgodilo čez noč, vendar je le vprašanje časa, kdaj bodo vsa polprevodna jedra odprtokodna. Ko kupite Fordov ali Toyotin avto, veste, čigav je motor?«

Patterson se strinja. »Ljudje so versko gorečni do odprtokodnosti. Zamisel jim je všeč in si želijo, da bi se uresničila,« je povedal. »Mislim, da je RISC-V neizogiben in bo postal lingua franca, ki ga bodo uporabljali tako v najmanjših računalnikih kot največjih.«

»Ker gre za odprtokodno licenco, ga ne nadzira eno podjetje, država ali kdorkoli drug. Ko nekaj prepustiš skupnosti, tega ne moreš več vzeti nazaj,« je pojasnila Calista Redmond iz fundacije RISC-V International, ki je leta 2019 napovedala, da bo sedež preselila iz ZDA v Švico, saj se nekaj članov, ki jih sicer niso imenovali, a naj bi menda šlo za kitajske državljane, boji, da bi neka država prevzela nadzor.

Na seznamu partnerjev fundacije je dejansko veliko kitajskih podjetij. Ko je Trumpova administracija uvedla sankcije, je kitajski maloprodajni velikan Alibaba razvil 16-jedrni čip RISC-V, ki ga je poimenoval XT910 in ga je po njegovih navedbah mogoče uporabiti za umetno inteligenco in samovozeče avtomobile. Tudi Indija je uradno potrdila zgradbo RISC-V za obrambne in infrastrukturne projekte, saj želi vedeti, kaj je v čipih, ki jih vgrajuje v ključne sisteme. EU je RISC-V izbral kot osnovo za novi superračunalnik, ki ga sestavlja za vrsto nalog na področju znanosti in obdelave podatkov. Semico Research je ocenil, da bodo do leta 2025 kupcem dostavili več kot 60 milijard jeder RISC-V, medtem ko so tehnologijo ARM v zadnjem četrtletju 2020 uporabili za 6,7 milijarde čipov.

Redmondova pravi, da bi moralo stare družbe, kot so AMD, Intel in ARM, resno skrbeti. »Pospešujemo na poti, ki so jo oni utrjevali desetletja,« je izpostavila. »Številna velika imena imamo pod streho in povečujejo svoje naložbe.«

Glavni razvijalec v ARM Richard Grisenthwaite ni tako optimističen. Razvijanje nabora ukazov je razmeroma preprosti del naloge, je poudaril, zahtevneje pa je ustvariti celoten sistem podpornih orodij, s katerimi je laže razvijati čipe na tej platformi. Za nov nabor ukazov je treba vse narediti od začetka. »Nabor ukazov je življenjsko odvisen od celotnega sistema in razvoj čisto od začetka je zahteven,« je opozoril Grisenthwaite. »30 let smo potrebovali za pravi zagon. Kdor bi želel doživeti podobno zgodbo kot ARM, bo prav tako moral pošteno pljuniti v roke.«

Druga težava je ohranjati cilj pred očmi. Uveljavljeni igralci lahko nadzorujejo svoje nabore ukazov in odobravajo spremembe, odprtokodno zasnovo pa je mogoče prilagajati in jo razvijati v drugačni smeri. Vsak globok razkorak bi lahko zmanjšal možnosti za uspeh – ali preprosto ustvaril novega monopolista. Android je resda odprta koda, na primer, a njegov največji dosežek je utrditev Googlovega položaja na trgu.

Opazovalci pravijo, da bi družbe, kot so AMD, Intel in ARM, moralo resno skrbeti.

Tudi to, ali se bo proizvajalec kdaj lahko v celoti znebil podedovane tehnologije, je manj gotovo. Številnim se zdi, da je treba ohraniti združljivost s starejšimi izdelki, kar lahko pomeni ohranjanje čipov ARM ali Intela v napravah. Sodobne naprave že vključujejo na desetine čipov z različnimi zasnovami in to se verjetno ne bo spremenilo. In ne glede na to, kdo zasnuje čipe, jih licencira ali naroči, bo dejanski silicij še vedno klepal proizvajalec čipov. Vsaj naslednjih nekaj let – dokler ne bo novih tovarn – bo to ozko grlo ostalo.

Revolucija z RISC-V, če se bo res zgodila, bo s tega zornega kota verjetno za končnega uporabnika komaj opazna. Če pa bo razvijalcem strojne opreme omogočila narediti naprave, ki bodo malo cenejše, kanček bolj specializirane in malček učinkovitejše, bomo vsi na boljšem. Čipi bodo še naprej brneli in delali, kar od njih pričakujemo – tiho podpirali naše digitalno življenje, le nekoliko očitneje.

Mednarodne vojne za čipe

Čipi predstavljajo srčiko vse računalniške strojne opreme, zato so idealni za nameščanje stranskih vrat oziroma varnostnih pomanjkljivosti, ki neprijateljskim silam lahko omogočajo vohunjenje, kaj počnejo posamezni računalniki – pa še kaj –, v omreženem svetu. »Mogoče ima vse, kar je sestavljeno na Kitajskem, vgrajeno odprto zvezo s to državo,« je pripomnil Cecil Macgregor iz podjetja Seagate.

A takoj dodal, da je to teorija zarote, kljub temu pa je nemogoče vedeti, kaj se dogaja v resnici. Zaradi možnosti trgovinske vojne med ZDA in Kitajsko podjetja pri izbiri zgradbe čipa upoštevajo tudi državo izvora. »Zakaj bi drugi velesili omogočil nadzor nad mano?« takšno razmišljanje pojasnjuje Macgregor.

Kitajska si prizadeva vzpostaviti lastne zmogljivosti za razvijanje čipov, vendar je za zdaj njen cvetoči tehnološki sektor še vedno odvisen od licenčnih dogovorov z ameriškimi tovarnami. Podjetje Xilinx je moralo zmanjšati prodajo kitajski družbi za elektroniko za široko porabo Huawei, potem ko ga je prejšnji predsednik Donald Trump uvrstil na trgovinski črni seznam zaradi pomislekov v zvezi z državno varnostjo.

A tudi ta palica ima dva konca. Leta 1990 so v ZDA izdelali več kot tretjino vseh čipov na svetu, danes jih le še dvanajst odstotkov, in večina proizvajalcev čipov je proizvodnjo preselila v azijske zmogljivosti. ZDA so dosegle, da se je družba Taiwan Semiconductor Manufacturing Company odločila za gradnjo 12 milijard vredne tovarne v Arizoni. Ameriška vlada si prizadeva, da bi povečala tudi domače proizvodne zmogljivosti.

Kako delujejo čipi

Prenosnik in pametni telefon ne moreta neposredno razumeti, kaj pomenijo različne tipke na tipkovnici, kliki z miško in drsanje s prstom v aplikaciji. Zahtevna programska oprema in operacijski sistem morata te vhodne podatke prek plasti abstrakcije prevesti v jezik, ki ga čip razume. Premik miške lahko sproži na tisoče posameznih preračunov, ki jih opravi več različnih čipov v napravi.

Nabor ukazov v čipu predstavlja atomsko raven v tem postopku, je okvir vseh ukazov, ki jih lahko izvede procesor. Eno od navodil bi, na primer, sprožilo obuditev podatka iz spomina, drugo njegovo vnovično shranjevanja, tretje bi dodalo dve vrednosti, četrto bi ju odštelo. Procesor tako predela niz takšnih navodil.

Današnji računalniki so sestavljeni iz plasti zahtevnosti. V povprečnem prenosniku in pametnem telefonu vrsta različnih čipov, ki poganjajo operacijski sistem in programsko opremo, izvršuje na milijone ali milijarde ukazov.

Copyright New Scientist, distribucija by Tribune Content Agency.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki

Monitor na Facebooku

Monitor TV na YouTube

HRWrFBljAjU

  • Polja označena z * je potrebno obvezno izpolniti
  • Pošlji