Как возникла швейцарская экосистема «открытых архитектур»

Университеты используют технологии с открытым исходным кодом для разработки микросхем Keystone / Laurent Gillieron

В Швейцарии складывается уникальная экосистема открытых микропроцессорных архитектур. Она позволяет производителям чипов работать без зависимости от коммерческих решений, контролируемых крупными технологическими компаниями.

Стремительное распространение по миру инструментов и систем на основе искусственного интеллекта резко ужесточило требования, предъявляемые к продукции индустрии полупроводников. Суперкомпьютеры и дата-центры (ЦОД) нуждаются во всё более мощных специализированных микросхемах. Это в свою очередь вывело на первый план роль вузовской науки, находящейся на стыке с бизнесом и рынком.

В швейцарских Высших технологических школах в Цюрихе и Лозанне уже сейчас разрабатывают полупроводники нового поколения. Однако проектирование и производство таких микросхем часто упирается в ограничения, связанные с так называемой архитектурой набора команд или Instruction Set Architecture (ISA). По сути, это язык взаимодействия между процессором и программным обеспечением. Наиболее распространённые сегодня архитектуры разрабатываются и лицензируются американской компанией Intel и британской Arm.

Читайте также:

Использование этих архитектур требует лицензирования и соответствующих расходов, а их модификация, необходимая для новых типов микросхем, жёстко регулируется производителями. Альтернативой в этой области стала открытая архитектура RISC-V, разработанная в 2010 году в Калифорнийском Университете (University of California, Berkeley). В 2015 году эта технология была передана в распоряжение некоммерческой организации RISC-V International Association, а в 2020 году её штаб-квартира переехала из США в Цюрих.

Одним из основателей этой ассоциации в 2015 году стала Высшая техническая школа Цюриха (ETH Zürich / ВТШ / Eidgenössische Technische Hochschule Zürich). По словам профессора факультета информационных технологий и электротехники Луки Бенини (Luca Benini), открытая архитектура создаёт качественно иную основу технологических инноваций.

Высшая техническая школа Цюриха (ETH Zürich / ВТШ / Eidgenössische Technische Hochschule Zürich). Keystone / Michael Buholzer

«По сути, долгое время университетская наука не могла проектировать или модифицировать процессоры на базе проприетарных архитектур ISA. Для этого требовалось разрешение от владельца архитектуры. Переход на открытую ISA дал нам полную свободу», — рассказал он порталу Swissinfo. В итоге за последние десять лет ученые из ETH разработали около 75 новых микросхем. Следует отметить, что Швейцария не конкурирует напрямую с такими центрами производства микросхем, как Тайвань, США или Китай, где расположены крупнейшие фабрики по выпуску чипов.

Вместо этого страна делает ставку на технологические ниши, например, на разработку энергоэффективных полупроводников, которые потребляют значительно меньше энергии, чем обычно. «Мы разработали процессоры RISC-V, оптимизированные для машинного обучения и для работы (инференс) уже обученных моделей. Нам удалось добиться при этом стократного повышения энергоэффективности — такого скачка отрасль обычно достигает лишь раз за поколение», — говорит Лука Бенини.

Оптимизация каждого этапа вычислений

Это обстоятельство особенно важно в условиях, когда системы искусственного интеллекта и растущие дата-центры потребляют всё больше и больше электроэнергии. В таких условиях полупроводниковая отрасль сегодня стремится оптимизировать буквально каждый этап вычислений, сокращая избыточные операции и повышая энергоэффективность. Об этом, в частности, более подробно в своей публикации на платформе Semiwiki рассказал Ален-Серж Порре (Alain-Serge Porret), возглавляющий в швейцарском технологическом центре CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique) отдел интегрированных и беспроводных систем (Integrated & Wireless Systems).

Швейцария входит в число стран с самой высокой плотностью дата-центров в пересчете на душу населения (на фото — ЦОД в кантоне Аргау). Keystone / Christian Beutler

«Даже компании-лидеры, которые раньше делали ставку на постоянное линейное увеличение вычислительной мощности, теперь пытаются проектировать чипы с учётом энергетических ограничений», — отметил он. Центр CSEM был создан в Швейцарии в начале 1980-х годов при поддержке швейцарского правительства в качестве инновационной платформы, объединяющей на основе частно-государственного партнерства вузовскую науку и бизнес с целью не дать Швейцарии утратить свои ведущие позиции в области технологических инноваций. Исследования CSEM в области полупроводников активно развиваются как раз в экосистеме RISC-V.

Ранее этот Центр пытался разрабатывать процессоры на собственной архитектуре ISA, однако поддержка такой изолированной экосистемы оказалась слишком трудоёмкой задачей, для решения которой требовалась целая команда разработчиков, постоянно обновляющих архитектуру, устраняющих ошибки и помогающих компаниям встраивать эту технологию в соответствующую коммерческую продукцию. Передача всей этой работы в руки открытого сообщества RISC-V позволила высвободить для исследований и инноваций дополнительные ресурсы. Об этом нам говорит руководитель группы разработки так называемых «систем на кристалле» (system-on-a-chip, SoC) Стефан Эмери (Stéphane Emery).

Обмениваться идеями

Сегодня экосистема RISC-V объединяет более 4 500 вузов и компаний, включая Google, Huawei, Siemens и Sony. Участники этого сообщества совместно поддерживают и развивают свою архитектуру ISA, создавая новые программы-приложения и утверждая проекты в области расширения архитектуры. «Для академической науки это крайне важно, потому что мы можем обмениваться идеями с университетами и компаниями по всему миру. Это очень активная экосистема, которая постоянно развивается», — говорит Стефан Эмери. Центр CSEM также сотрудничает с рядом крупных технологических компаний.

В частности, он участвует в проекте разработки энергоэффективного чипа для смартфонов и планшетов совместно с японской компанией United Semiconductor Japan (ранее Fujitsu). Федеральная политехническая школа Лозанны EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) также активно использует RISC-V в собственных исследованиях. Среди таких проектов — микроконтроллер с открытой архитектурой X-HEEP, который позволяет исследователям создавать и тестировать энергоэффективные системы для периферийных вычислений (edge computing), приложений интернета вещей и носимых медицинских устройств.

ЦЕРН в Женеве — Европейская организация по ядерным исследованиям — остаётся одним из самых известных и авторитетных научных центров в мире. Keystone / Christian Beutler

По словам Луки Бенини, экосистема RISC-V имеет для швейцарских вузов ключевое значение. Он сравнивает её с Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN), где физики вместе проверяют свои теории на огромном ускорителе частиц. «Сообщество RISC-V выполняет похожую функцию — это своего рода исследовательская инфраструктура в области вычислительных систем. Она позволяет превращать научные разработки в области программного и специализированного аппаратного обеспечения в реальные инженерно-технологические решения», — резюмирует Лука Бенини.

Русскоязычная версия материала создана с использованием искусственного интеллекта, затем адаптирована для целевой аудитории и прошла тщательную редакционную обработку и проверку журналистами SWI swissinfo.ch (ИП / НК / АП).