Vzhledem k délce reportáže (dané množstvím pokrytých témat) doporučujeme v případě zájmu o jednu konkrétní oblast rychlé "prohlédnutí" nadpisů namísto pročítání od počátku. Kdo chce naopak získat přehled o AMD jako takovém a nejen o něm, tomu doporučujeme přečíst celý článek.
Setkání třetího druhu - s technologií budoucnosti
"Měl bys o to zájem? AMD, zajet si do Drážďan?" - neformální dotaz kolegy v reakci na nabídku AMD předvést svou novou, ultramoderní továrnu v sousedním Sasku. Na představení nejmodernějších trendů v mikroprocesorech, s nosným tématem benchmarkingu a objektivního srovnávání výkonu. I přes jisté problémy s termíny a výhrady osobnějšího rázu jsem se nakonec podvolil - přece jen zvítězila přirozená zvědavost a chuť podívat se do "fabriky budoucnosti"! Při kývnutí mi ještě nebylo jasné, jak hodně netradiční to bude návštěva.
Od samého začátku! Pondělí ráno. Za deset minut odjezd. Pas nebyl na svém tradičním místě - v brašně. Byl ve stole. Takže místo pochrupávání v AMD-Audi na cestě do Drážďan jsem zachraňoval svůj image relativně spolehlivého člověka a frčel vstříc procesorům s tříhodinovým zpožděním po vlastní ose, na vlastní náklady (dle hesla "za blbost se platí"). Počasí přálo lyžování, méně už svižné jízdě. S dobře dvouhodinovou ztrátou jsem dorazil ke komplexu velkému jako několik sportovních hal dohromady.
Logisticky strategická poloha
Blízko drážďanského letiště, v průsečíku dvou dálničních tahů leží "Fab 30" - výrobní závod AMD, kde vznikají ty pěkné kousky, na kterých občas máme možnost pracovat. Athlony XP a do budoucna Athlony 64 a serverové Opterony. Zamrzelo mne, když jsem se těsně minul se skupinou, která si šla prohlédnout testovací laboratoře - po vydatném experimentování "over the limits" mi nedávno odešel do věčných lovišť můj vlastní Athlon XP, tak jsem doufal, že se přiučím, jak experimentovat bezpečněji (s novým, šťastně vyreklamovaným XP).
Nicméně, soudě z vyprávění kolegů, možná to nebylo to pravé místo - procesory tam analyzují nepoměrně sofistikovaněji než já, včetně sofistikovanějších metod destrukce. Iontové dělo na řezání těla procesoru absolutně čistým průstřelem doma nemám a vytetovat si něco na ruku iontových paprskem bych také nechtěl - prý je to schopné vzít i stehno naskrz (nebo jiné části těla, pro inspiraci viz například nového Bonda)... Zatímco ostatní tam zkoumali mikroskopické detaily rozřezaných Athlonů, já baštil. A posléze začala již v plném počtu jedna z nekonečného množství prezentací.
"Manufacturing Excellence"
Za dvě miliardy euro se dá vystavět ledacos, Fab 30 a designové centrum pro vývoj procesorů příštích generací například. Přímo v srdci Silicon Saxony, jak se odteď říká sousednímu spolkovému státu. Já to sice slyšel poprvé, ale zde na to byli evidentně hrdí, v Sasku se usadilo množství křemíkových firem, v koncentraci v Evropě zřejmě jinde neviděné. Po pomalém začátku jsme se ponořili rovnou do centra dění...
Charakteristika továrny budoucnosti
Na prvním místě samozřejmě lidé - ze 44 tisíc uchazečů vybrali 2 000 lidí, z nichž třetina má univerzitní vzdělání s půlročním zaškolením, přes polovinu tvoří středoškoláci, taktéž po náročném zaškolení, a k tomu pět procent "expertů" s Ph.D. Třetina ze zaměstnanců byla dříve nezaměstnaná. (Proč to nepostavili u nás? Prý pobídky, množství technických VŠ v okolí, strategická poloha.)
Celková zastavěná plocha je 43 tisíc čtverečních metrů, se 14 tisíci čtverečními metry naprosto čistých prostor. Továrna je schopná zpracovat na 5 000 substrátových desek s průměrem 200 mm (wafer) týdně, v současnosti probíhá přesun od ,18mikronové architektury k ještě miniaturnějším rozměrům tranzistorů, na současnou produkční špičku - ,13 mikronů.
Právě o co nejminiaturnější rozměry při produkci jde. Čím menší struktury, tím více se vejde na jeden wafer tranzistorů a potažmo čipů - a tím levnější nebo výkonnější mohou být. 0,13 je současný světový standard pro nejnáročnější technologie, a AMD se musí rychle adaptovat, aby se udrželo ve hře.
Však v záloze již je experimentální 2000m prostor, též v prostorách komplexu, kde se pracuje i s rozměry ,09 mikronů, zatím však jen pro vyzkoušení výrobních postupů pro masovou produkci. Přesunem k 0,09 mikronům a výrobě jsme se dostali k druhé přednášce, ve které se ztratili (snad až na ty nejotrlejší absolventy s Ph.D.) zřejmě všichni z přítomných evropských novinářů.
High Tech Process of the AMD Athlon XP
Přednášející David Greenlaw přetížil naše mozkové závity. Demonstroval vražedným tempem triky a magii výrobních technologií, které jsou používány při výrobě současných Athlonů XP. Výrazy jako magie a triky jsou zcela na místě - jeho popis výroby zaváněl místy spíše metodou pokus omyl, místy sázkou na ruletu.
Při výrobě procesorů jde o procesy, které lze nejsnadněji přirovnat ke kreslení čáry tlusté 80 - 90 milimetrů štětkou, která má průměr čtvrt metru. Až na to, že místo štětky máme paprsek světla a čárou jsou struktury tranzistorů. Dokud se štětkou malovaly pruhy půlmetrové, bylo to snadné, dnes je nutné se stále stejným paprskem světla dosáhnout "namalování" struktur, které jsou sotva třetinové ve srovnání se samotným "kreslícím" paprskem.
A situace se průběžně zhoršuje. Zde přichází ke slovu "hraní" si s parametry osvitu, které se skutečně podobá více hře nežli výrobnímu procesu - až na to, že tady si hrají lidé s doktoráty, kapacity ve výrobě čipů.
Jeden z nejpalčivějších problémů současných procesorů jsou "úniky napětí" - tak, jak se struktury čipu zmenšují, zmenšují se všechny části čipu, včetně vrstev oddělujících jednotlivé vodivé části. V současných návrzích čipů tak dochází k velkému nárůstu probíjení napětí (Gate Oxid Leakage) - nevodivá vrstva může být příliš tenká, aby dostatečně oddělila dvě části. Problém, který byl dříve zcela zanedbatelný, se s exponenciálním tempem nárůstu probíjení při zmenšování čipu stává takřka nekontrolovatelným - čím menší čip, tím více může "probíjet".
Aby se zabránilo únikům napětí, jsou izolační vrstvy zesilovány "Halo implantáty", které jsou do základu čipu nastřelovány pod 45stupňovým úhlem... Nastřelování odolných implantátů pod určitým úhlem pro zvýšení nevodivosti je ještě poměrně snadno představitelné při bastlení s pájkou, ale méně v nanometrových poměrech a v masové produkci. Stěží představitelné. Plně jsem se ztotožnil s výrazem magie.
A od té chvíle jsem se v přednášce ztratil. Do "hry" jsem se na chvíli vrátil při vysvětlování, jak lze obejít problém s úniky napětí na čipu - čím poróznější materiál, s čím nižší hustotou, tím lepší izolátor. Takže například nejlepším materiálem, s nejnižším k (volně přeloženo s nejnižší hustotou) je vzduch. Jenže pokud se ve výrobě má používat materiál s co nejmenší hustotou, dochází k fyzické nestabilitě konstrukce čipu - čím se stává "měkký" a může se celý doslova rozpadnout, rozdrolit. Představte si, že se nanometrové konstrukce čipu prostě lehce "stlačí", jak pak asi vypadají?!
Pokud si někdo s doktorátem v oboru mikroelektroniky přeje prohlédnout prezentaci, je ke zkopírování u mé maličkosti, na vysvětlení pojmů Vtsat kontroly, dosažení lepšího Fmax, tunelového inženýrství, offset spacerů a dalších podobných "řešení", které se řinuly v nepřetržitém proudu z úst prezentujícího, toho o čipech vím prostě příliš málo. Dobrým pocitem bylo, že se tak cítila většina přítomných - přece jen, zde přednášel člověk přímo z výroby, což bylo poznat...
Přednášku zakončil David Greenlaw výhledem do budoucna a především stručným shrnutím, které podal dostatečně "názorně":
- Litografie bude vždy tlačena na maximum svých možností, limity jsou dány velikostí osvětlovacího paprsku a topografií (co nejrovnějším povrchem křemíkového waferu)
- Obavy ze zmenšování rozměrů se měnily za posledních 15 let, největšími problémy jsou úniky napětí, zatímco Halo implantáty umožnily výrobu struktur menších než 200 nanometrů.
- Přechod na měď místo hliníku umožnil vyšší rychlosti a komplexnost čipů, měkčí materiály s nízkým k (hustotou) budou nutné pro vhodnou izolaci
- Účelný design bude nezbytný pro vyřešení problémů se správou elektrické energie a tepelných emisí
- Budoucí technologie, které by vyřešily současné problémy, jsou již zde, funkční a odzkoušené, je pouze jediný problém - jak je přenést z experimentálních laboratoří do prostředí masové výroby?! Postupy jsou zpravidla extrémně komplikované a naprosto nevhodné pro produkci v miliónech kusů.
Prohlídka technického zázemí
Namísto iontového děla vzali naši pozdní skupinku na prohlídku technického zázemí ohromné fabriky. Namátkou pár drobností:
- Vlastní 26MW kogenerační zdroj s bezvýpadkovým provozem smluvně zaručeným na dalších patnáct let.
- Ze 400 tisíc kubíků vody dodávané z venčí se v továrně "vyrábí" 340 tisíc kubíků ultračisté, všech nečistot zbavené vody, která se blíží ideálu naprosto neznečištěné H2O. Pro ilustraci, vypití doušku takové vody vás zabije, protože z okolí do sebe natáhne minerály, kyslík atd. Trubky nemohou být z PVC, protože by je rozložila. Je zcela zbavená atmosférického kyslíku, prostřednictvím ultrafialové lampy také všeho "živočišstva". Jedině taková "voda" může přijít do styku s wafery.
- Další lahůdkou byl klimatizační systém, který musí za hodinu přefiltrovat milión kubických metrů čistého vzduchu, z nichž 900 tisíc je opět vysáváno ven (100 tisíc zůstává, aby se nevytvořil podtlak).
- Speciální žluté světlo namísto bílého v místnostech pro osvit.
- Pancéřované dávkovače nebezpečných látek používaných v produkci s podtlakovým výfukem pro eliminaci ničivých následků případných explozí, každá s vlastním, od vnějšku naprosto izolovaným prostředím - v dané místnosti bylo více jedů než v armádní laboratoři...
Sociální intermezzo
Po vyčerpávajících přednáškách a osvěžující procházce po továrně (neviděl jsem jediný čip) jsme byli odvezeni do hotelu, kde jsme absolvovali skvělou večeři, která měla pouze jednu chybku - výborné jídlo přicházelo v malých porcích (namáhané mozky by potřebovaly dávku dvojnásobnou). Co na energii nedodalo jídlo, to zvládlo víno při diskusích točících se samozřejmě kolem procesorů. A vína bylo dostatek. Takže ráno speciálně má maličkost opět dorazila pozdě, což "nadchlo" organizátory jak z české, tak německé strany.
Benchmarking ze všech úhlů
Ranní přednáška se týkala již daleko méně výroby a daleko více toho, čemu rozumíme (nebo bychom měli): testování, testování a ještě jednou testování. Asi každý z přítomných redaktorů měl něco společného s testy a Michael Goddard se s námi podělil o dojmy, tipy a vhodné postupy v podobě nejprve teoretické, přepodrobná prezentace o druzích testů a testových metodikách. Dostal se od vhodnosti syntetických testů (měřící specificky výkonnost určité části hardwaru - například propustnost paměti), přes algoritmické (provádí testy na kódu podobném typickým aplikacím, ale pouze podobném, ne na konkrétních aplikacích) až po zřejmě nejoptimálnější aplikační benchmarky (měřící výkon počítače v konkrétních reálných programech).
Nemohl jsem si pomoci, ale při sledování do detailu propracované prezentace jsem si nemohl nevšimnout rozdílu oproti včerejšku. Tehdy se jednalo o technickou prezentaci, s expertním výrobním know-how, tady šlo zcela zřejmě o prezentaci vypracovanou konzultační firmou - vsadil bych se, že na ni pracoval celý tým PriceWaterhouse Coopers, s případnou pomocí testovacího oddělení AMD. Ne že by to snižovalo její hodnotu, ale na rozdíl od včerejší prezentace, kde jsem se ztratil po pěti minutách, tato byla naopak blbuvzdorná až příliš. Usínací...
Athlon 64 a Opterony - náznaky a možnosti
Zajímavé to začalo být v závěru, přišla řeč (a ilustrační slidy na stěně) na výkonnost Athlonu 64 - žel AMD se projevila nekompromisní a veškeré srovnávací tabulky uvedla bez uvedení MHz. Takže jsme si mohli udělat obrázek, o kolik bude Athlon 64 v kterých oblastech výkonnější, ale bez představy o konkrétním taktu. Velmi šikovné, stačí umazat legendu a zajímavý graf si sice zachoval vypovídací schopnost, ale nic neprozradil o skutečném výkonu.
Pomalejší než Athlon XP?
Podivuhodně, v grafu výkonnosti v různých aplikačních oblastech se krom nárůstu od cca 5 procent do 25 procent objevila i jedna kategorie (ze 24), kde se Athlon 64 "propadl" o sedm procent oproti Athlonu XP - aplikační kategorie byla samozřejmě (opět!) bez popisu.
Část čipové sady na procesoru
Zcela evidentně AMD nezapracovalo pouze na zrychlení pouze čisté logiky procesoru, ale snažilo se v návrhu o odstranění úzkého místa v současné architektuře: v komunikaci procesoru a operační paměti. A šlo se do technických detailů. Athlon 64 bude mít na rozdíl od Athlonu XP a většiny současných procesorů řadič paměti umístěný přímo na procesoru - to je část systémové logiky čipové sady, která se stará o komunikaci s pamětí.
Vždy byla mimo procesor, což zpomalovalo komunikaci - ta musela probíhat vždy přes prostředníka, čipovou sadu. Díky integraci řadiče se rychlost komunikace výrazně zvýší, respektive zpoždění v komunikaci se sníží cca na polovinu současné špičky (z cca 150 posun do okolí 50 - 70 nanosekund), zcela zmizí Front Side Bus (FSB) tak, jak jej známe, a bude nahrazen přímou komunikací mezi procesorem a pamětí.
Multiprocesorové Opterony
Od jednoprocesorového Athlonu 64 jsme se přenesli do prostředí serverových multiprocesorových Opteronů a jejich způsobu komunikace s pamětí, který je opět někde jinde nežli současné technologie. Každý z Opteronů bude mít přímo na čipu už u 64bit Athlonu zmíněný řadič paměti, takže komunikace bude probíhat přímo s lokální pamětí každého z procesorů. Ano, každý z procesorů bude mít vyhrazenu svou vlastní paměť. Samozřejmě pak vznikají problémy se synchronizací a s komunikací, pokud proces potřebuje informaci z jiné paměti než lokální - pak se dochází k ověřování aktuálnosti v ostatních pamětích a vyrovnávacích pamětích procesoru (pomocí sondy-"probe" žádosti). Lokální přístup do paměti je samozřejmě rychlejší (díky synchronizaci a "probe" informacím ostatním procesům nedosahuje teoretického maxima, ale pouze části) - z cca 21 GB/s tak při lokálním přístupu dosahuje čtyřprocesorový systém celkovou propustnost 15,59 GB/s, zatímco křížový přístup (do jiné paměti, před jeden či dva další paměťové řadiče ostatních procesorů) typicky 11,23 GB/s - tj. přístup do jiné paměti pořád ještě dosahuje výkonnosti takřka 70procentní oproti lokálním datům.
Podobně jako u Athlonů 64, rychlost komunikace s pamětí se bude zvyšovat s růstem frekvence procesoru, protože řadič paměti bude pracovat na stejné frekvenci jako celý procesor. Preferované paměti budou DDR333 a později DDR-II, jak nám vyplynulo z pracovních diskusí nad zákuskem.
Neutrální benchmark - nedosažitelný cíl?
Aki Jarvilehto z Futuremark (dříve Mad Onion, vývojáři produktů pro testování jako 3D Mark 2001, PC Mark 2002 atd.) se snažil osvětlit proces vzniku nezávislých benchmarkovacích aplikací. Z mého pohledu sice ne zcela přesvědčivě, speciálně na některé dotazy v závěru odpověděl poměrně vyhýbavě či vůbec.
Ale nebuďme na něj příliš přísní. Přece jen, výroba zcela nezávislého, univerzálně porovnatelného benchmarku, v prostředích procesorů, které se začínají od sebe architekturou a jednotlivými výhodami značně lišit, je pořádná práce. A Mad Onion si zatím vedl relativně dobře, snad si stejně povede Future Mark. (Pokud tedy nemají pravdu zlé jazyky, že ledacos o nezávislosti Futuremark vyplývá z vystoupení předního manažera právě na akci AMD. ;-))
Workshopy na Athlonech XP 2700+
Po vydatném obědě, žel ve stoje, jsme se šli navzájem obohatit o správné testovací postupy a nastavení PC, tak aby testy byly co nejvíce srovnatelné a průhledné. V reálu, přímo na testovacích konfiguracích Athlonů XP. A ukázaly se zde rozdíly v metodice, snad každý má trošinku rozdílný přístup - i když ve většině věcí panovala shoda od počátku, ve zbytku po diskusi, místy velmi detailní. Probralo se optimální nastavení BIOSu, přes podrobnosti jako nastavení AGP Aperture poloviny velikosti RAM, přešlo se plynule na Windows XP a skončilo u ovladačů - tam se nedořešilo, zda používat aktuální verze nebo nějakou jednotnou, k určitému času atp. atp.
Michael Goddard, šéf testovacího střediska, byl skutečně ideální osobou na podobnou diskusi, jeho tým pěti techniků měl evidentně značné zkušenosti se srovnáváním a testováním. Uvidíme, zda se testy konfigurací začnou více podobat napříč všemi publikacemi, nebylo by to špatné pro skutečně prokazatelné porovnání.
Workshop pokračoval po malé přestávce, ale to už jsme se někteří začali vytrácet, včetně mne. Do podrobnosti rozebrat 3D Mark 2001 se mi nezdálo přínosné, takže jsem se vydal vstříc hranicím. Uronil jsem slzu za v zrcátku mizící Drážďany, a po dvou hodinách byl doma. Vyčerpán jak jízdou, tak neuvěřitelně přeplněnými dvěma dny, které se AMD snažilo využít na maximum (nebo vyždímat z nás, co se dá :-)).
Závěrem...
Ještě jsem nestačil pořádně "zpracovat" dojmy, natož podrobně prostudovat kvanta materiálů z prezentací. Za dva dni jsem neviděl ani jediného muže (ženu) v bílém pracovním obleku do ultračistých prostor tak, jak je znám z reklam. Zato jsem dostal šanci nahlédnout pod pokličku výroby současných čipů a problémů, které se zde řeší "za pochodu". Byl jsem stabilně pod dohledem diskrétní ochranky objektu. A dostal naprosto nevtíravé poznámky a doporučení k tomu, jak testovat procesory, nejen AMD, aby byly výsledky srovnatelné a přesné, zbavené šumu. Spolu s pohledem na architekturu budoucích 64bitových Athlonů byl právě toto pro mne zřejmě největší přínos.
A největší ztráta? 15 Euro za noční parking v centru Drážďan.
