Depois de mais de uma década de domínio, a Intel deu lugar ao seu principal concorrente, a AMD. Jeremy Laird tentou descobrir onde a Intel entrou no caminho errado e como ela reagiria ao inimigo.
Então, o que exatamente aconteceu com a Intel? O outrora líder indiscutível na produção de processadores e microcircuitos é agora inferior aos rivais em quase todos os indicadores possíveis. As CPUs da AMD mostraram-se mais sofisticadas e a tecnologia de produção da TSMC, mais eficiente. Parece que a Intel se perdeu completamente.
Mesmo no mercado de PCs móveis, onde o fabricante é líder absoluto há décadas, os processadores Intel deram lugar ao novo híbrido Renoir da AMD.
As coisas estão tão ruins que a Apple anunciou planos de cortar relações com o fabricante e começar a produzir seus próprios chips baseados em ARM. Pior, há rumores de que a própria Intel está considerando uma parceria com a TSMC para lançar certos produtos no futuro, incluindo a primeira placa de vídeo personalizada. Em essência, isso pode ser uma humilhação completa para a empresa.
Ou isso é apenas um palpite? Apesar de todas as dificuldades, a receita da Intel atingiu o recorde de US $ 72 bilhões no ano passado.Na realidade, o maior problema do fabricante é que não está acompanhando a demanda dos chamados data centers de hiperescala. São empresas como Amazon, Microsoft, Google, Facebook e outras que simplesmente não possuem processadores Xeon suficientes. Enquanto isso, há boas razões para acreditar que a Intel em breve retornará à rotina anterior com relação à produção de chips e microarquitetura de CPU.
Como você pode descrever os problemas e infortúnios da Intel em poucas palavras? “10 nanômetros”, eu diria. E não é apenas uma falha da tecnologia de chip - tais argumentos podem ser feitos em favor de qualquer empresa de fabricação de microarquitetura que está descansando sobre os louros por décadas. Mas 10 nanômetros! Isso é um desastre.
Este termo "10 nanômetros" refere-se a um processo ou conjunto usado para fabricar chips de computador. Em teoria, 10 nm é o tamanho dos menores componentes dentro de um chip. Na prática, entretanto, nomes de processos e tamanhos reais de componentes, como portas de transistores dentro de um processador de desktop, pararam de se relacionar recentemente. E, muito provavelmente, não existe tal componente dentro do processador Intel que tenha realmente 10 nm de tamanho.
Essa falta de relação direta entre o tamanho do componente e a descrição da montagem se torna mais problemática quando se trata de comparar os fluxos de trabalho dos fabricantes concorrentes. Mas mais sobre isso mais tarde. E agora estamos interessados na tecnologia de processo de 10 nm da Intel e suas desvantagens. Originalmente, esperava-se que fosse lançado em 2015. Já estamos no segundo semestre de 2020, mas a gama de produtos com chips de 10 nm é pequena. Você não poderá comprar desktops ou CPUs para servidores baseados no processo técnico acima. Apenas os processadores móveis para laptops e tablets mudaram para a tecnologia de 10 nm e, mesmo assim, apenas aqueles com baixo e ultrabaixo consumo de energia. O resto foi atualizado para 14 nm.
Esses fatos devem ser considerados levando-se em consideração o padrão adotado pela própria Intel - a Lei de Moore, e portanto é necessário levar em consideração a resistência das leis da física que os designers de chips têm enfrentado nos últimos anos. No entanto, dificuldades ainda maiores na fabricação de semicondutores podem surgir quando os transistores individuais atingem o tamanho de um punhado de átomos e sofrem efeitos quânticos misteriosos, como o tunelamento. Mas essa é uma história completamente diferente.
Muito provavelmente, todos os problemas da Intel se resumem em ambição excessiva, obsolescência de uma tecnologia de produção específica, talvez complacência e falta de investimento.
De acordo com o presidente-executivo da Intel, Bob Swan, os problemas de 10 nm da Intel são “uma espécie de derivação do que fizemos no passado. Então tentamos vencer de qualquer maneira. E quando os tempos eram particularmente difíceis, estabelecemos metas ainda mais ambiciosas. E é por isso que demoramos mais para alcançá-los ”.
Altas expectativas de microcircuitos
Para um nó de tecnologia de 10 nm, este objetivo ambicioso se traduz em um aumento de 2,7x na densidade do transistor. Em outras palavras, um nó de 10 nm contém 2,7 vezes mais transistores por unidade de área de matriz do que um nó de 14 nm. Mais especificamente, os processadores de 14 nm contêm 37,5 milhões de transistores por milímetro quadrado, enquanto um milímetro quadrado de cristais de 10 nm contém 100 milhões de transistores. O aumento dramático na densidade do transistor torna a tecnologia de 10 nm muito mais ambiciosa do que outras tecnologias de processo.
O aumento de 2,5 vezes na densidade e a transição da tecnologia de 22nm para 14nm foram impressionantes; no entanto, a transição de 32nm para 22nm representou um aumento de 2,1 vezes na densidade e um aumento de 2 vezes na densidade de 45nm para 32nm. Três vezes. Compreender essas mudanças ajuda a explicar as diferenças entre a Intel e os nós concorrentes. Por exemplo, a tecnologia de 10 nm da Intel implica uma densidade de 100,8 milhões de transistores por milímetro quadrado. Este número é um pouco maior do que os 96,5 milhões de transistores da TSMC (posteriormente, a TSMC anunciou 113,9 milhões de transistores por milímetro quadrado para uma tecnologia de processo aprimorada de 7 nm). Todos os três nós de 7nm da Samsung também ficam aquém da marca de 100M.
Isso porque a tecnologia 10nm da Intel era muito ambiciosa - tanto que em 2017 a empresa adicionou o rótulo "Hyper Scaling" para chamar a atenção para o aumento da densidade. Em retrospectiva, pode-se argumentar que as expectativas eram muito altas. Isso ocorre porque a Intel fez um nó final com base na litografia atual far-UV (DUV). Em suma, o tamanho dos componentes em um microcircuito é determinado pelo comprimento de onda da luz usada nos processos litográficos. Esses processos gravam componentes na superfície de um substrato de silício, e os processadores de PC são cortados de wafers de silício.
Este não é um relacionamento direto. Várias técnicas e opções auxiliares também podem ter um impacto, como máscaras realmente usadas como um multiplicador que reduz o tamanho dos componentes abaixo do comprimento de onda real da luz.
O equipamento de fabricação de chips DUV usa luz ultravioleta com comprimento de onda de 193 nm. No entanto, há um limite para a densidade dos transistores em um determinado comprimento de onda. A Intel excedeu esse limite.
O resultado é um atraso vergonhoso de cinco anos no lançamento do produto. Esta é uma eternidade em termos de dinâmica de volume da Intel e da Lei de Moore. Mesmo agora, há indícios de que o processo de 10 nm não é o que deveria ser. Portanto, o Ice Lake, a nova décima geração de processadores móveis, acelera mais lentamente do que seus predecessores de 14 nm. Os processadores Ice Lake de 10nm mais rápidos, o Core i7-1065G7, atingem velocidade máxima de 3,9 GHz, enquanto o Core i7-8665U da 8ª geração é espantosamente 900 MHz mais rápido. É muita coisa, o que significa que algo está errado no processo de produção.
Outra prova de que o processo de 10 nm ficou aquém das expectativas da Intel é a geminação de processadores de 10ª geração de baixo consumo de energia. Junto com as atuais CPUs Ice Lake, uma nova família Comet Lake está sendo lançada, e ambas estão classificadas na décima geração.
Como o Ice Lake, os processadores móveis Comet Lake vêm em formatos de baixa e ultrabaixa energia.
Mas, ao contrário do Ice Lake, o Comet Lake usa 14nm, não 10nm, e se estende a modelos de 6 núcleos a uma velocidade de clock máxima de 4,9 GHz.
Como resultado, você já pode comprar um laptop com um processador que tenha o logotipo da Intel 10ª geração, mas o que está dentro da caixa pode ser diferente do declarado. Se o processador tiver 2 ou 4 núcleos, pode ser de baixo ou ultrabaixo. E também de 10 ou 14 nanômetros. Ele pode ser baseado na microarquitetura Skylake 2015 ou na completamente nova Sunny Cove, e também ser considerado um lago de gelo.
Problemas de microarquitetura
A menção de Sunny Cove naturalmente nos leva a outra grande falha da Intel - a microarquitetura. Até o lançamento dos chips Ice Lake de 10nm para laptops ultraportáteis no final do ano passado, um grande número de processadores para desktops, laptops e servidores eram baseados na tecnologia de processo de 14nm que estreou em 2014 e na arquitetura Skylake que apareceu em 2015. Ambos foram governados milhares de vezes, mas não houve grandes mudanças nas atualizações.
Além disso, desde a introdução da microarquitetura Nehalem em 2008, a Intel só poderia oferecer 4 núcleos de processador para modelos de PC populares. Isso continuou até o lançamento de 2017 da microarquitetura Coffee Lake, uma versão evoluída do Skylake, e o subsequente aumento para seis núcleos. Por quase uma década, a Intel não aumentou o número de núcleos para seus modelos de produtos convencionais.
Em pouco menos de dois anos e meio, a Intel aumentou a fasquia para 10 núcleos para os populares processadores de desktop com o lançamento do Comet Lake, uma reconstrução do Skylake da família de CPU de 14 nm. Acontece que durante 10 anos não houve turnos, e depois houve um aumento de 2,5 vezes em um curto período de tempo. O que poderia ter levado a um aumento tão acentuado no número de núcleos após uma longa estagnação? A razão para isso é o surgimento da arquitetura Zen da AMD e dos processadores Ryzen, cuja primeira geração foi lançada em 2017. Simplificando, a Intel foi preguiçosa até que conseguiu um concorrente.
Claro, mesmo com dez núcleos, a Intel está muito atrás da AMD, que atualmente oferece 16 núcleos em PCs populares com processadores Ryzen de terceira geração. Sua vantagem também reside no fato de serem baseados na tecnologia de processo de 7nm da TSMC.
No segmento móvel, a Intel não é melhor. A nova linha de APUs Renoir de 7 nm da AMD tem oito núcleos Zen 2 com 15 watts. A Intel só conseguiu fazer um Comet Lake Core-i7 10810U de 6 núcleos como concorrente. Este é um processador com velocidade de clock de apenas 1,1 GHz. O Ryzen 7 4800U de 15 watts vem com 8 núcleos e freqüência de 1,8 GHz. Não é uma comparação lisonjeira.
Um olhar para o futuro
Aqui está a versão da acusação. Os últimos anos não foram tecnologicamente frutíferos para a Intel. George Davis, o CFO da empresa, disse sobre o flop de 10 nm: “Este nó de tecnologia definitivamente não será o melhor na história da Intel. É menos eficiente do que o processo de 14 nm e menos eficiente do que o processo de 22 nm. " Mas as consequências das dificuldades atuais da Intel são realmente tão desastrosas?
Do ponto de vista financeiro, esta pergunta pode ser respondida de forma inequívoca - não. Na realidade, não só a situação atual não é tão ruim, como também não há problema algum. As receitas da Intel atingiram recordes históricos em 2019. Desde meados de 2018, suas vendas não caíram devido à estagnação tecnológica, e o próprio fabricante tem enfrentado dificuldades para atender a demanda por seus processadores de 14nm.
Se você se aprofundar, poderá chegar à conclusão de que pelo menos parte do problema está no processo. O número de núcleos nos processadores para servidores Intel disparou com o advento da era de 14nm. A Intel agora oferece até 28 núcleos em um único chip de processador. Isso significa que quanto mais núcleos no mesmo processo, menos processadores podem ser extraídos de um wafer semicondutor, o que, por sua vez, pode levar a um fornecimento limitado.
Mas digam o que se diga, a Intel não está passando por dificuldades financeiras, e essa circunstância é a principal razão pela qual o fabricante pode dar uma resposta digna aos concorrentes em termos de produtos e tecnologia.
E esse efeito já é visível. Os processadores Ice Lake têm uma nova microarquitetura conhecida como Sunny Cove. Ele melhora o desempenho por clock em 18% em relação ao Coffee Lake, um refinamento da microarquitetura Skylake.
E isso é só o começo. Um fator decisivo para o renascimento da microarquitetura da Intel foi a inclusão de Jim Keller na equipe, que liderou a equipe de desenvolvimento do microprocessador.
Embora planeje deixar o cargo em seis meses, a contribuição que pode dar ao desenvolvimento da empresa não pode ser subestimada. Keller é um dos arquitetos de microprocessadores mais respeitados, senão o mais respeitado.
Ele ficou famoso pelo desenvolvimento da microarquitetura do processador K8, codinome Athlon 64, e o primeiro chip da AMD a competir com a Intel. Mais tarde, Keller trabalhou na Apple, projetando uma série de processadores baseados em ARM de sua própria produção, que mais tarde assumiram posições de liderança no mercado de smartphones e tablets. Em 2012, Keller voltou à AMD, liderando o desenvolvimento da microarquitetura Zen e mais uma vez fornecendo à AMD as ferramentas para lutar contra a Intel. Após um breve mandato como chefe da equipe de desenvolvimento de veículos elétricos da Tesla, Keller assumiu como vice-presidente sênior da Intel em abril de 2018.
Dado o lapso de tempo entre o design e a microarquitetura do processador e o lançamento do produto, é altamente improvável que os novos núcleos Sunny Cove dentro dos processadores Ice Lake sejam obra de Keller. O mesmo será válido para a arquitetura de Willow Cove que segue Sunny Cove. O lançamento está previsto para o final deste ano para uma família de processadores backport de 14 nm, ou seja, utilizando a "transferência reversa" da nova microarquitetura para o "antigo" processo técnico, os processadores Rocket Lake.
A microarquitetura Golden Cove dará um passo ainda maior e estabelecerá as bases para os planejados processadores Alder Lake no ano que vem. Mas mesmo Golden Cove não pode ser considerada uma criação completa de Keller. Para fazer isso, precisamos esperar até que Ocean Cove seja lançado em 2022 ou 2023, embora a partida iminente de Keller signifique que sua influência no projeto provavelmente será um tanto limitada.
Não há informações oficiais sobre Ocean Cove ainda. Recentemente, surgiram rumores de que o desempenho desta microarquitetura será 80% maior do que o Skylake. Embora sejam apenas rumores, sabemos com certeza que Keller tem um histórico excelente e que a Intel tem um plano estratégico ambicioso que vai muito além do que fazia anos atrás. Como disse Keller, "planejamos aumentar o número de transistores em 50 vezes e fazer de tudo para extrair o máximo de cada pilha."
Ao mesmo tempo, CPUs de 7 nm seguindo os problemáticos processadores de 10 nm não enfrentarão as mesmas restrições de seus predecessores. Para a produção de processadores de 7 nm, será utilizada a litografia da faixa ultravioleta extrema (EUV) com comprimento de onda de até 13,5 nm. Em outras palavras, a tecnologia de processo de 7 nm mudou dramaticamente. O tempo dirá, mas agora podemos dizer com certeza que as previsões da Intel são muito otimistas.
A Intel planeja acelerar a transição de 7nm para 5nm e além. Isso significa que o fabricante desenvolverá ativamente uma nova tecnologia em oposição à atual cara, mesmo que isso requeira investimento em pesquisa e desenvolvimento. Além disso, com o envolvimento da litografia EUV, a Intel espera retornar às taxas de produção anteriores - uma vez a cada 2 anos, começando com uma tecnologia de processo de 7 nm no final de 2021 e alcançando o lançamento da tecnologia de 1,4 nm em 2029. “Acho que o EUV nos ajudará a voltar ao ritmo em que os transistores da Lei de Moore estão aumentando”, disse Davis.
Tudo isso em conjunto dá a impressão de que a Intel está retornando os padrões para a criação das arquiteturas mais avançadas e dos processadores mais rápidos. Se isso vai acontecer é outra questão. A AMD está agora indiscutivelmente em uma posição melhor do que a Intel, apesar de esta última se esforçar significativamente mais. O roteiro estratégico da AMD para microarquitetura, incluindo Zen 3 e Zen 4, juntamente com as soluções de tecnologia da TSMC, fomentará a competição entre os dois fabricantes. No entanto, não vamos prever a derrota da Intel.
Afinal, a última vez que o NetBurst e o Pentium 4 surgiram e a Intel estagnou, a resposta foi a dinastia Core e a liderança no mercado de processadores por uma década.