Eksperter: Venter eksplosjon i egenutviklede brikker

Apple kickstartet sin utviklerkonferanse WWDC i juni med å vise fram flere interessante nyheter på både maskinvare- og programvarefronten.

Men det var en liten brikke som stjal showet.

M2 er navnet på den nye generasjonen av Apples egenutviklede Arm-baserte mikrobrikke. Arm er en strømgjerrig prosessorarkitektur, utviklet av en engelsk bedrift med samme navn.

Engelske Arm har imidlertid verken designet eller bygget Apples brikke. Designen står Iphone-produsenten for selv, men de betaler for å få bruke Arms arkitektur – som egner seg spesielt godt for strømgjerrige enheter som mobiler og datamaskiner.

Det er TSMC, verdens største halvlederprodusent, som står for produksjonen av Apples brikke. Det er samme bedrift som produserer millioner av Iphone-prosessorer, som også er Arm-basert, hvert år.

Setter GPU og CPU på samme brikke

Akkurat som forgjengeren M1, er Apples siste brikke en systemkrets (system-on-a-chip, SoC). Den er designet slik at flere funksjonsblokker er blitt plassert på samme krets – komponenter som hovedprosessoren (CPU), cacheminnet, grafikkprosessoren (GPU), RAM, DRAM, I/O og ISP er på samme plate.

Med M1 ville Apple bygge en brikke som ga høy prestasjon med lavere energiforbruk – et mer effektivt effektforbruk, ganske enkelt.

M2 fortsetter i det sporet, med enda raskere CPU og GPU samt høyere minnebåndbredde – uten at brikken har blitt særlig mye større.

Hele satsingen på egenutviklede brikker kalles Apple Silicon. Det store skiftet kom i juni 2020, da Apple offisielt forlot Intels x86-prosessorer.

– Men hva er det for slags utvikling vi ser? Og hva vinner Apple, og andre, på å utvikle sine egne brikker?

– Det gir Apple full kontroll over hele systemet. Dermed blir det lettere å optimalisere de ulike lagene. Det er ekstremt viktige for å kunne levere stadig høyere ytelse, sier Per Stenström, professor ved avdeling for datateknologi på teknologiuniversitetet Chalmers.

Presser frem høyere ytelse

Også Jonas Sundqvist, medgrunnlegger og direktør for det unge halvlederselskapet Alixlabs, har fulgt utviklingen av Apple Silicon nøye. Han mener det mest karakteristiske med M2 er at Apple har klart å få enda mer ytelse ut av M-brikkene.

– Strategien ser ut til å ha vært vellykket. Jeg har ingen Apple-produkter hjemme, men rent teknisk er satsingen interessant. Selskapet kan sine ting og har klart å bygge inn masse spesialfunksjoner i brikkene, som mer effektiv håndtering av Apple-spesifikke medieformater, sier han.

Mål: Energieffektive brikker

Arm-baserte brikker, med CPU og GPU på samme plate, har lenge eksistert i mobilverdenen. Disse systemene er bygget for å være energieffektive – batteritid er alfa og omega for mobiltelefoner. Med M-serien viser Apple at de også kan bygge brikker til datamaskiner.

Maskinene er ikke de kraftigste på markedet, men Apple har funnet en nisje i grenselandet mellom forbruker- og proffsegmentet – med fokus på bearbeiding av bilde og video.

– Apple optimaliserer brikkene for nettbrett og bærbare datamaskiner. De er egentlig ikke tenkt for andre applikasjoner, som datasentre. Der har Intel fremdeles en nisje – selv om Arm-baserte serverløsninger er på vei, sier Stenström.

– Imponerende ytelse

Å ha hovedprosessoren og grafikkprosessoren på samme brikke stiller høye krav til minnebåndbredden. Det er et mål for hvor raskt data kan flyttes mellom GPU og VRAM, som er grafikkortets eget minne.

M2-brikken skal, ifølge Apple, ha 18 prosent raskere CPU sammenlignet med M1 – samtidig som prestasjonen hos GPU-en har økt med 35 prosent. Samtidig har minnebåndbredden gått opp med 50 prosent.

– Apple forteller sjelden særlig mye om sin teknologi. Slik var det også under M2-lanseringen. Men tallene for beregninger og minnebåndbredde er imponerende, sier Stenström.

Jonas Sundqvist fra Alixslabs er inne på det samme:

– Den innovative med M-serien ligger i at Apple har klart å pakke sammen CPU og GPU på samme krets. Det gjør at minnet må «multitaske» – hvis du for eksempel vil kjøre et CAD-program på datamaskinen din, må hovedprosessoren og grafikkprosessoren jobbe knallhardt. Apple ser ut til å ha funnet en løsning ved å øke minnebåndbredden og cachen, sier han.

Optimalisering, ikke miniatyrisering?

Spørsmålet er hvor lenge Apple og andre kan fortsette å presse frem høyere ytelser ved å krympe transistorene.

M2 er laget med 5-nanometer-teknologi, noe som innebærer at transistorene er 5 nanometer lange. I dag ligger transistorene horisontalt på silisiumskiven (også kalt en wafer).

Det er plass til milliarder av transistorer, men før eller senere sier det stopp.

– Hvor lenge kan man fortsette å øke pakningsgraden av transistorer? Når når man grensen for 5-nanometer-teknologien?

– Det blir stadig vanskeligere å gjøre transistorene mindre. Men så lenge de er over 1 nanometer, bør det gå. Men det finnes andre måter å øke ytelsen på. Tilgangen til transistorer på brikkene har vært god lenge – det har ført til at man ikke har satset så mye på systemoptimalisering, sier Per Stenström.

– Der kan man fremdeles gjøre mye – og særlig et selskap som Apple, som styrer både programvare og maskinvare.

Bilbransjen girer opp brikkesatsing

Apple er ikke alene om å satse på egenutviklede brikker. Facebook og Google jobber med brikker som er skreddersydd for kunstig intelligens – og i januar kom nyheten om at Microsoft har rekruttert Mike Filippo, en nøkkelaktør innen Apples Arm-satsing.

I det siste har det også begynt å røre seg på et område som historisk har ligget ett skritt bak når det gjelder brikkeutvikling. I løpet av kort tid har flere bilkjemper, som Volkswagen, Volvo-eier Geely og Hyundai åpnet for å begynne å designe brikker selv, i stedet for å stole på underleverandører som tyske Infineon, med mange kunder i bilbransjen.

Tesla bryter barrierer

Brikkene blir stadig viktigere for nye biler, blant annet til autonom kjøring.

Akkurat som når det gjelder elektrifisering, har Tesla gått foran. For noen år siden utviklet selskapets superdatamaskin Dojo mikrobrikken D1, med mål om å kunne gjøre biler helt selvkjørende.

– Og det dukker opp stadig flere applikasjoner i bilene som krever høy CPU- og GPU-ytelse, for eksempel innen navigasjon. Bransjen pleier å ligge litt etter fordi kravene til alle komponentene er tøffere, sier Sundqvist på Alixlabs.

– Samtidig har for eksempel Tesla brutt barrierer ved å bruke halvlederfabrikker med mer avanserte teknologinoder for produksjon av brikker. Mange andre bilprodusenter bruker fremdeles brikker fra Infieon i størrelsen 90 nanometer, sier Jonas Sundqvist.

Ikke alle brikker som utvikles til fremtidens kjøretøyer, vil bli Arm-basert. Men akkurat som brikkene i mobilene våre, samt Apples M-serie, er ett sett egenskaper særlig viktige: Høy ytelse med et lavt energiforbruk.

– Datasystemene i kjøretøyene bruker mer og mer av energien fra batteriene. Det kan påvirke rekkevidden. Samtidig har det lenge vært kjent at datasystemer kan bli mer effektive hvis de tilpasses en smal nisje av applikasjoner, som maskinlæring. Det er ekstremt viktig, særlig for bilindustrien, sier Stenström.

– Hele brikkebransjen vokser

I takt med at stadig flere produsenter innen stadig flere bransjer har fått opp øynene for skreddersydde brikker, sementeres stillingen halvlederprodusenter som Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Samsung og Intel har.

Bilkjempene vil nemlig ikke lage brikkene selv – i stedet nøyer de seg med å designe dem og deretter la halvlederaktørene stå for produksjonen.

– Er det fortsatt plass til nye aktører innen halvlederproduksjonen?

– Det dukker nok opp nye aktører – ikke minst med tanke på det geopolitiske perspektivet. Europa må bli mindre avhengige av produksjonen i Asia, mye på grunn av uvissheten omkring forholdet mellom Taiwan og Kina. Det kommer sikkert nye brikkeprodusenter, også i Europa. Dessuten planlegger Intel å flytte deler av produksjonen til en fabrikk i Tyskland. Hele brikkeindustrien vokser når bilindustrien endrer fokus, sier Stenström.

Denne artikkelen ble først publisert på Ny Teknik for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.