Experter: Explosion av egenutvecklade chip väntar

2022-06-14 06:00  

Apple, Google och Facebook gör det redan – och nu har bilindustrin också fått upp ögonen för egenutvecklade chip. "Högintressanta utveckling", säger halvledarexperter.

Ny Tekniks expert Kalle Wiklund berättar och förklarar produktnyheterna som Apple lanserade.

 

Den 6 juni öppnade årets upplaga av WWDC, Apples utvecklarkonferens.

Iphonetillverkaren kickstartade konferensen med att i snabb följd visa upp flera intressanta nyheter på både hårdvaru- och mjukvarufronten.

Men det var en liten kiselskiva som stal showen under kvällen.

Apple designar egna chip

M2 är namnet på den nya generationen av Apples egenutvecklade Arm-baserade chip. Arm är en strömsnål processorarkitektur, utvecklad av ett engelskt företag med samma namn.

Läs mer: Test: Ipad Air – ”M1-chipet smular andra plattor till grus”

Engelska Arm har dock varken designat eller byggt Apples chip. Designen står i stället Iphonetillverkaren för, som betalar för att får använda Arms arkitektur – vilken lämpar sig särskilt väl för strömsnåla prylar, som mobiler och datorer.

För tillverkningen av Apples chip står TSMC, världens största halvledarproducent. Samma företag som varje år redan producerar miljontals Iphone-processorer, som också är Arm-baserade.

Sätter GPU och CPU på samma chip

Precis som föregångaren, M1, är Apples senaste chip en systemkrets (system-on-a-chip, SoC). Chipet är designat så att flera funktionsblock placerats på samma krets – komponenter som huvudprocessorn (CPU), cacheminnet, grafikprocessorn (GPU), arbetsminnet, DRAM, I/O och ISP finns på en enda kiselskiva.

M1 och M2 – Apples egendesignade chip, som finns i allt från datorer till surfplattor. Foto: Media

Med M1 siktade Apple på att bygga ett chip som gav hög prestanda till lägre energiförbrukning – ett mer effektivt effektuttag, helt enkelt.

M2 fortsätter på det spåret, med ännu snabbare CPU och GPU samt högre minnesbandbredd – utan att chipet har blivit särskilt mycket större än M1.

Hela satsningen på egenutvecklade chip kallas Apple Silicon. Det stora skiftet kom i juni 2020, när Apple bekräftade att företaget lämnade Intels x86-processorer.

Läs mer: Intel bygger nya jättefabriker för chiptillverkning i EU

Men vad är det för utveckling vi ser, egentligen? Och vad vinner Apple, och andra, på att utveckla sina egna chip?

– Det ger Apple full kontroll över hela beräkningsstacken. På så sätt blir det möjligt att bygga in optimeringar i alla lager av teknikstacken. Det är extremt viktigt för att fortsätta kunna ta fram system som ger högre prestanda, säger Per Stenström, professor vid avdelningen för datorteknik på Chalmers.

Per Stenström, professor Chalmers. Foto: Anna-Lena Lundqvist

”Apple pressar fram mer prestanda”

Även Jonas Sundqvist, medgrundare och vd för det unga halvledarbolaget Alixlabs, har följt utvecklingen av Apple Silicon noga. Det mest utmärkande med färska M2, enligt honom, är att Apple har lyckats med att fortsätta pressa fram mer prestanda ur M-chipen.

– Strategin tycks vara lyckad för Apple. Jag har inga Appleprodukter hemma, men rent tekniskt är deras satsning intressant. Bolaget kan sin grej, och har lyckats bygga in en massa specialfunktionalitet i chipen, som kodeks (hårdkodade mediemotorer, reds. anm.) för effektivare hantering av Applespecifika medieformat, säger han.

Alixlabs vd Jonas Sundqvist. Foto: Alixlabs

Målet: Energieffektiva chip

Arm-baserade chip, med CPU och GPU på samma skiva, har funnits länge i mobilvärlden. Dessa system är byggda för att vara energisnåla – batteritid är a och o för smarta mobiltelefoner. Med M-serien visar Apple att det dessutom går att bygga Arm-baserade laptop- och desktopdatorer.

Läs mer: IBM ska ställa transistorer på högkant: ”Helt otroligt”

Dessa datorer är inte de mest kraftfulla på marknaden, men Apple har karvat ut en nisch där man tillverkar maskiner i gränslandet mellan konsument- och proffssegmentet – med fokus på mediebearbetning av till exempel bild och video.

– Vi ska ha det klart för oss att Apple superoptimerar chipen framför allt för surfplattor och bärbara datorer. Dessa chip är egentligen inte avsedda för andra tillämpningar, som datacenter exempelvis. Där har Intel fortfarande en nisch – även om armbaserade serverlösningar också är på väg, säger Chalmersprofessorn Per Stenström.

”Imponerande beräkningsprestanda”

Att ha huvudprocessorn och grafikprocessorn på samma chip ställer höga krav på minnesbandbredden. Det är ett mått på hur mycket data per tidsenhet som kan flyttas mellan GPU och VRAM, som är grafikkortets eget minne.

M2-chipet ska, enligt Apple, ha 18 procent snabbare CPU jämfört med M1 – samtidigt som prestanda hos GPU:n har ökat med 35 procent. Samtidigt har tidigare nämnda minnesbandbredd gått upp med 50 procent, jämför med M1-serien.

– Apple berättar sällan särskilt detaljerat om sin teknik. Så var det även under M2-lanseringen. Men siffrorna som visades upp för beräkningsprestanda och minnesbandbredd är imponerande, säger Chalmersprofessorn Per Stenström.

Foto: Apple

Jonas Sundqvist på Lundabolaget Alixslabs är inne på samma linje:

– Det innovativa med M-serien ligger i att Apple har lyckats packa ihop CPU och GPU på samma krets. Det gör att minnet behöver ”multitaska” – om du exempelvis vill köra ett CAD-program på din Macdatorer eller surfplatta, då måste huvudprocessorn och grafikprocessorn jobba stenhårt. Apple vekar ha hittat en lösning genom att öka minnesbandbredden och cachen, säger han.

Optimering, inte miniatyrisering?

Frågan är hur länge Apple, och andra, kan fortsätta att pressa fram högre prestanda ur chipen genom att krympa transistorerna.

Läs mer: Google-ingenjör hävdar att bolagets AI blivit självmedveten

M2 är tillverkat med 5-nanometersteknik, vilket innebär att transistorerna på kretsen är 5 nanometer långa. Som chipen byggs i dag ligger transistorerna packade horisontellt på kiselskivan (även kallad wafer).

Foto: Apple

Det betyder att det bara får plats ett visst antal miljarder transistorer innan det fysiska utrymmet på chipet tar slut, helt enkelt.

Hur länge kan man fortsätta att öka packningsgraden av transistorer? När når man gränsen för 5-nanometerstekniken?

– Det blir allt svårare att krympa längden på transistorerna. Men så länge vi talar om storlekar över 1 nanometer bör det gå. Men det finns andra sätt att öka prestandan. Tillgången på transistorer på chipen har varit stor länge – det har lett till att man inte behövt satsa särskilt mycket på systemoptimeringar, säger Per Stenström.

– Där kan man fortfarande göra mycket – och den utvecklingen spelar företag som Apple i händerna, de vet inte bara hur man optimerar på transistornivå utan också över systemgränserna med mjuk- och hårdvara. Det finns mycket prestandaförbättringar att hämta där. Men då blir det allt viktigare att äga hela teknikstacken – precis som Apple gör, fortsätter han.

Bilbranschen växlar upp chipsatsning

Apple är inte ensamt om att satsa på egenutvecklade chip. Facebook och Google jobbar med kretsar som är skräddarsydda för ai-applikationer – och i januari kom nyheten att Microsoft har rekryterat Mike Filippo, en nyckelspelare inom Apples arm-satsning.

På sistone har det dessutom börjat röra sig inom ett område som historiskt har legat steget efter när det gäller chiputveckling. På kort tid har flera fordonsjättar, som Volkswagen, Volvo-ägarna Geely och Hyundai öppnat för att börja designa chip själva, i stället för att förlita sig på underleverantörer som tyska Infineon, med många kunder i bilbranschen.

Foto: Press

Tesla bryter barriärer

Utvecklingen drivs på av ett teknikskifte där andelen chip i bilarna ökar för varje år, och där systemen i bilarna behöver allt mer beräkningskraft för applikationer inom exempelvis maskininlärning – som bland annat används för semi- och helautonom körning.

Läs mer: Sårbarhet i Apples M1-chip – omöjlig att åtgärda

Precis som när det gäller elektrifiering har Tesla banat väg för utvecklingen med skräddarsydda chip inom fordonsindustrin. Sedan några år tillbaka utvecklar bolagets supdator Dojo chipet D1, med målet att kunna göra bilar helt självkörande.

– Man kan se att det dyker upp allt fler tillämpningar i bilarna som kräver mer CPU- och GPU-prestanda, exempelvis inom navigation och självkörning. Automotive-branschen brukar ligga lite efter på grund av att specikfikationskraven för alla komponenter är tuffare, säger Jonas Sundqvist.

– Samtidigt har exempelvis Tesla brutit ner den typen av barriärer, genom att använda halvledarfabriker med mer avancerade tekniknoder för chiptillverkning. Det kan jämföras med många andra fordonstillverkare, som fortfarande förlitar sig på kontrollchip från Infieon i storleken 90 nanometer, säger Jonas Sundqvist.

Inte alla chip som utvecklas till framtidens fordon kommer att bli Arm-baserade. Men precis som chipen i våra mobiler, samt Apples M-serie, är en uppsättning egenskaper särskilt viktiga för dessa kretsar: Hög prestanda till en låg energiförbrukning.

– Datorsystemen i fordonen börjar dra alltmer av den energi som finns i batterierna. Det kan påverka räckvidden. Samtidigt har det varit känt länge att om vi bygger specifika datorsystem för en smal nisch av applikationer, som maskininlärning, då kan man öka prestandan och göra chipen strömsnålare. Det är extremt viktigt i synnerhet för bilindustrin, säger Per Stenström på Chalmers.

Per Stenström är professor i datateknik på Chalmers. Foto: Anna-Lena Lundqvist

”Hela chipbranschen ökar”

I takt med att allt fler tillverkare inom en större bredd av teknikbranscher har fått upp ögonen för skräddarsydda chip, cementeras den ställning som halvledarproducenter som Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Samsung och även Intel har.

Biljättarna kommer nämligen inte att börja tillverkar chipen själva – i stället nöjer sig de flesta med att designa dem, och sedan låta halvledaraktörerna tillverka dessa.

Taiwaneiska TSMC är världens största halvledarproducent. Foto: Walid Berrazeg / SOPA Images/Sipa USA

Finns det fortfarande plats för nya spelare inom halvledartillverkningen?

– Det dyker nog upp nya aktörer – inte minst med tanke på det geopolitiska perspektivet. Det har flaggats för att vi i Europa behöver bli mindre beroende av chiptillverkningen i Asien, mycket på grund av ovissheten kring vad som kommer att hända med Taiwan och Kina. Det kommer säkert nya chiptillverkare även i Europa. Dessutom planerar Intel att flytta delar av tillverkningen till en kommande fabrik i Tyskland. Hela chipindustrin växer när bilindustrin ställer om, säger Per Stenström.

Artikeln är uppdaterad med en länk om Geelys chipsatsning.

Kalle Wiklund

Mer om: Apple Tesla

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt