Innovatie in een spanningsveld

4 maart 2011

Oude scheepsbouwers uit de zeventiende eeuw wisten het al: wil je kwaliteit, dan moet je zorgen voor concurrentie. En dus plantten zij een eik vlak naast een beuk, met als gevolg dat de twee bomen tegen elkaar op groeiden om maar voldoende zonlicht te krijgen. De eikenstam groeide alleen maar omhoog, werd daardoor kaarsrecht en leverde zo ideaal hout op om masten van te maken.

Het duo Intel en AMD zit in een vergelijkbare situatie. De twee bedrijven hielden zich in het begin met geheel eigen projecten bezig, totdat ze op instigatie van IBM elkaars concurrenten werden. Zo’n dertig jaar geleden introduceerde IBM zijn personal computer, gebouwd op basis van Intel-chips. Binnen IBM gold toen de regel dat geen enkel onderdeel van een unieke aanbieder betrokken mocht worden. Er was dus behoefte aan een ‘second source’ voor de microprocessor en die rol werd vervuld door AMD.

Intel bood AMD inzage in zijn patenten en gaf ook toestemming om er gebruik van te mogen maken. Dat ging goed tot 1986, het jaar waarin de gegeven toestemming opeens werd ingetrokken. Intel zegde de contracten eenzijdig op en AMD spande een jaar later een zogeheten arbitragezaak aan. De rechter werd ingeschakeld om te bepalen of Intel in zijn recht stond. De uitspraak liet op zich wachten, maar in 1992 oordeelde de rechter ten gunste van AMD. Waarop Intel weer een tegenzaak aanspande, die in 1994 werd beoordeeld weer ten gunste van AMD. Het juridische gevecht was daarmee nog niet voorbij; de twee partijen bleven elkaar ook de jaren daarna in de haren zitten.

Op technisch gebied staken de twee elkaar steeds weer de loef af, of deden pogingen daartoe. Het doel was de chips sneller en goedkoper te maken. Sneller betekent meteen ook kleiner, want hoe geringer de afmetingen van een chip, des te minder tijd hebben de signalen nodig om van het ene circuit naar het volgende te lopen. De slag om de spoorbreedte, de afmeting van de kleinste details op een chip, was het eerste punt waar AMD en Intel elkaar troffen.

Rond 1980 werden chips gemaakt met details die zo klein konden zijn als 2 micron, ofwel 2000 nanometer. In de loop van de tijd is die maatvoering steeds kleiner geworden, waarbij de natuurkundige eigenschappen van het halfgeleidermateriaal een steeds belangrijkere rol gingen spelen. Anders gezegd: de ontwerpers liepen tegen fysieke beperkingen aan. Om de details op de chips nog verder te verkleinen, moesten speciale trucs worden bedacht. Bijvoorbeeld het gebruik van nieuwe materialen die nog steeds als isolator werkten, zelfs als het een laagje van een paar atomen dik betrof.

Ander strijdtoneel was het steeds maar weer proberen te verhogen van de kloksnelheid. Hoe hoger de klokfrequentie, hoe groter het aantal commando’s dat een chip per seconde kan uitvoeren. AMD en Intel richtten zich vooral op de onderkant van de markt, bestaande uit stationaire pc’s en laptops, waar zeer veel chips kunnen worden verkocht. Dergelijke systemen worden gebruikt buiten de zorgvuldig geregelde omstandigheden van een rekencentrum. Dat wil zeggen dat die chips niet al te warm mogen worden, omdat een geavanceerde koeling ontbreekt. De opgewekte warmte is recht evenredig met de kloksnelheid waarop een chip werkt, dus die klok mag niet te hoog worden. In de praktijk is een klok van 3,5 gigahertz het maximum voor kleine apparatuur. Alleen in het rekencentrum liggen de frequenties hoger. De absolute top op dit moment is de processor van het z-196-mainframe van IBM. Die chips worden geklokt met een frequentie van 5,2 GHz.

Meer rekenkernen op een chip

Behalve productie- en ontwerpuitdagingen levert de voortgaande miniaturisatie ook nieuwe mogelijkheden op. Op een chip kunnen fabrikanten inmiddels zoveel transistoren kwijt, dat processors niet alleen veel geheugen meekrijgen, maar ook meer dan een rekeneenheid kunnen bevatten. Intel én AMD hebben die keuze inderdaad gemaakt, met als gevolg chips met twee tot en met twaalf rekenkernen. Intel heeft zelfs al een processor met vijftig of meer kernen bedacht.

De jongste trend is toevoeging van een of meer grafische processors aan een chip. De efficiëntie waarmee de databus op de processor gegevens kan uitwisselen tussen die kernen en met het meegebakken geheugen, wordt ongetwijfeld een nieuw slagveld tussen Intel en AMD.

Intel en AMD moeten zich, bij het bedenken van nieuwe plannen, wel beperkingen opleggen. Het gaat om chips die worden gebruikt in mainstream­systemen, die werken met een beperkte en vastgelegde instructieset. Dat is de x86-instructieset, genoemd naar de 8086-processor van Intel.

Iedere nieuwe chip die op de markt komt en die is bedoeld voor gebruik in pc’s en laptops, zal ten minste die instructies moeten kunnen verwerken. Een fabrikant die zich daar niet aan houdt, plaatst zichzelf op een eilandje. Hij moet dan maar zien of er ontwikkelaars zijn die voor die specifieke chip applicaties en besturingssystemen willen maken. Microsoft heeft hierbij een forse stem in het kapittel. De softwaregigant publiceert ieder jaar de definitie van een standaard-pc, als zijnde de minimumconfiguratie waarop de eigen programmatuur kan draaien. De randvoorwaarden liggen dus vast en binnen dat stramien moeten de makers van processors zich zien te onderscheiden van de concurrent.

De Nehalem-chip, behorend tot de Core i7-familie. Gemaakt volgens het 45 nm-procédé. Op het plakje silicium bevinden zich ongeveer 731 miljoen transistors. De Athlon-chip. Op de halfgeleider is veel plaats ingeruimd voor cachegeheugen. Dit on-chip memory bevindt zich zeer dicht bij de rekenkernen en data kunnen dus uiterst snel aan de cores worden toegevoerd.

Dure innovatieplannen

Het verbeteren van het ontwerp van een processor is een gecompliceerde en daardoor erg dure aangelegenheid. Soms is het gewoon té duur voor een enkele fabrikant en in zo’n geval wordt wel gekozen voor een ‘precompetitief samenwerkingsverband’. Diverse chipfabrikanten werken dan samen aan een nieuwe techniek, waarbij alle concurrentiegedachten worden uitgebannen. Als de techniek helemaal is uitgerijpt, gaat ieder zijn eigen weg en worden ze weer elkaars concurrenten.

Deze aanpak heeft het voordeel dat de totale kosten worden verspreid over een aantal bedrijven. Ook kunnen de deelnemers volop kennis en ervaringen uitwisselen, waardoor de verbeteringen sneller tot stand komen. Een grote initiator van dit soort samenwerking is Sematech, een initiatief van de SIA, de Semiconductor Industry Association. Zowel AMD als Intel is daar lid van.

Sematech maakt zich ook sterk voor nieuwe productietechnieken. In 1998 werd de overstap van 8 inch (200 mm) naar 300 mm wafers gestimuleerd, tegenwoordig wordt een soortgelijke stap aanbevolen, namelijk van 300 naar 450 mm.

In 2003 hebben de leden van Sematech samengewerkt aan het vervangen van de aluminium bedrading op de chips door een dradenpatroon van koper. Dat metaal geleidt een stuk beter en het biedt dus minder weerstand aan de elektrische signalen.

Vier jaar later hebben de leden samengewerkt aan zogeheten high-k Gates, stuurelektroden voor een CMos-transistor die zeer weinig lekstroom kennen. De lekstroom zorgt voor het grootste energieverlies in een processor. De stroom per transistor mag dan niet groot zijn, opgeteld over de vele miljoenen circuits op één chip is het heel wat.

Het nieuwste project van Sematech is de gezamenlijke ontwikkeling van 3D-chips, waarin de circuits niet uitsluitend naast elkaar liggen, maar ook boven op elkaar gestapeld worden. Die techniek zorgt ervoor dat circuits in grotere aantallen dicht op elkaar kunnen zitten, waardoor de signalen weinig tijd nodig hebben om van de ene naar de andere transistor te lopen.

Intel vernieuwt microarchitectuur

Het nieuwste van het nieuwste bij Intel is de processor die onder de naam Sandy Bridge op de markt is gekomen. Kern van Sandy Bridge is een nieuwe microarchitectuur die de opvolger moet worden van de Nehalem. De nieuwe chips lopen op een klok van 2,1 tot 3,4 GHz, desgewenst kan de Turbo Boost-stand worden ingesteld, waar een klok van 3,8 gigahertz mogelijk is. De chip heeft een ingebouwde grafische processor, die is aangesloten op een zogeheten ringbus. Dat is een breed datapad dat om de reken- en grafische kernen heen is gebouwd en waarover gegevens zeer snel uitgewisseld kunnen worden.

Delen van de chip kunnen – wanneer de toepassing dat toelaat – op een lagere snelheid worden geschakeld of worden uitgezet. Daardoor daalt het energieverbruik van 95 watt op vol vermogen tot 35 watt in de uiterste bespaarstand.

Als eerste zou een 4-coreversie van de chip op de markt komen, later te volgen door een 2-core-uitvoering. Diverse pc-fabrikanten, waaronder Dell, hebben al laten weten dat ze systemen rond de Sandy Bridge gaan bouwen.

AMD antwoordt met Fusion

Niet lang nadat Intel de Sandy Bridge-processor op de markt bracht, had AMD zijn antwoord klaar: de Fusion-chip, die ook wel wordt aangeduid als APU ofwel Accelerated Processing Unit. Ook AMD heeft zijn processor voorzien van een ingebouwde grafische processor, enerzijds om de processor sneller met graphics te laten werken maar veel belangrijker om het energieverbruik in te dammen. AMD beweert dat een laptop met Fusion-chip 10 uur kan werken op één acculading. AMD zet zijn kaarten eerst op het draagbare segment, in tegenstelling tot Intel, dat zijn nieuwe chips ook heeft bestemd voor gebruik in stationaire pc’s en servers.

 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Neem contact met ons op!