Hola a todos, soy Shi Kan del Instituto de Tecnología de la Computación de la Academia China de Ciencias, un "profesional de la tecnología con múltiples facetas". Tengo más de diez años de experiencia en la industria de los chips, y actualmente me dedico a la investigación académica relacionada con los chips en la Academia China de Ciencias; pero al mismo tiempo, también soy un creador de contenido tecnológico en Bilibili llamado "Lao Shi Tan Xin" (El viejo Shi habla de chips), y mis espectadores me llaman "Lao Shi".
Chips: La piedra angular de la sociedad moderna
Cuando se mencionan los chips, todos sabemos lo importantes que son.
Ya sea la inteligencia artificial, que está muy de moda, o la medicina, la conducción autónoma, las comunicaciones por red, etc., prácticamente todas las tecnologías modernas que puedas imaginar dependen de los chips, una tecnología fundamental de la era de la información.
Llevo mucho tiempo trabajando en el desarrollo de chips, y el proceso es realmente interesante, principalmente por dos razones.
En primer lugar, los chips tienen aplicaciones muy amplias. Si te dedicas a esta industria, es poco probable que te preocupes por quedarte sin trabajo, ya que muchas industrias necesitan tecnología de chips.
La segunda razón puede ser más importante: el desarrollo de chips es algo extremadamente difícil. Como ingenieros de chips, necesitamos seguir aprendiendo y enriqueciéndonos constantemente para enfrentar y aprovechar esta era llena de oportunidades y desafíos.
Entonces surge la pregunta: ¿en qué radica exactamente la dificultad de la tecnología de chips?
¿Por qué son tan difíciles los chips?
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Quizás sepan que el proceso de fabricación de un chip es, en esencia, el viaje de evolución de un grano de arena. La arena es probablemente uno de los recursos más abundantes e inagotables del planeta; pero convertir la arena de bajo valor en un chip de alto valor añade únicamente la sabiduría humana.
A partir de la arena, necesitamos purificarla para obtener obleas (wafers). Luego, las obleas pasan por una serie de etapas como fotolitografía, implantación iónica, grabado, empaquetado, etc., para convertirse finalmente en un pequeño chip a partir de la arena abundante e inagotable.
Después de todo esto, con tantos pasos, la fabricación de chips es solo una parte de todo el proceso de desarrollo de chips, no es lo mismo que el desarrollo de chips en sí.
Hay otro eslabón muy importante: el diseño de chips. Se refiere a completar el diseño del circuito según los requisitos y hacer que funcione correctamente. Luego, entregamos el circuito diseñado al fabricante de chips para que realice la fabricación posterior y finalmente obtenga la entidad física del chip.
Pero aquí hay otro problema: ¿cómo asegurar que la funcionalidad del chip sea la misma que la del diseño inicial?
Aquí hay una pequeña historia interesante. En 1947, una programadora muy famosa, Grace Hopper, descubrió que su computadora no funcionaba. Después de una investigación y exploración cuidadosa, descubrió que una polilla se había metido en un relé de la computadora. Así que, con unas pinzas, extrajo cuidadosamente la polilla y la pegó en un papel.
Este podría ser el primer "bug" (insecto), o sea, fallo, descubierto en toda la historia del desarrollo de la computación.
Si el ejemplo anterior es demasiado antiguo, en realidad tenemos más ejemplos. Les planteo un problema matemático: ¿cuál es el resultado final de esta expresión? En realidad, este problema es muy simple, porque en la expresión posterior, el numerador y el denominador son iguales y se cancelan; y el número antes del signo menos y después también son iguales, por lo que al restar números iguales, la respuesta final debería ser 0. Sin embargo, en una computadora y chip reales, es posible que el resultado obtenido no sea así.
Por ejemplo, en un chip Pentium de Intel, el resultado obtenido fue 255.00000000. ¿Qué pasó? Resulta que un científico estadounidense, mientras realizaba investigaciones científicas, al ejecutar esta expresión, no obtenía el resultado correcto. Finalmente descubrió que en la unidad de división de punto flotante de este chip había un error de diseño que no se había detectado.
No subestimen este error de diseño, sus consecuencias fueron muy graves. En la década de 1990, Intel gastó 475 millones de dólares para retirar globalmente todos los chips Pentium que presentaban este problema.
Volviendo a la pregunta anterior: ¿en qué radica exactamente la dificultad de la tecnología de chips?
En mi opinión, la dificultad de los chips radica en que necesitan tener éxito a la primera. Hacer chips no es como el software, donde puedes corregir diversos problemas posteriormente mediante parches. En contraste, una vez que un chip ha completado su viaje evolutivo desde la arena hasta el chip, es posible que ya hayas gastado decenas o cientos de millones, e incluso miles de millones, para completar el tape-out y fabricación del chip, y es muy difícil modificarlo después.
Entonces, la siguiente pregunta es: ¿cuántos proyectos de chips pueden lograr el éxito a la primera?
La verificación de chips: Un cuello de botella
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Según los datos de resultados de la investigación, solo el 24% de los proyectos de chips logran tener éxito a la primera. Es decir, 3/4 de los proyectos de chips, debido a la existencia de diversos errores de diseño, grandes y pequeños, no detectados, necesitan al menos realizar un tape-out adicional, lo que consume mucho tiempo y dinero.
Por lo tanto, la clave del problema es: ¿cómo podemos asegurar, en la medida de lo posible, que el chip tenga la menor cantidad posible, o idealmente ninguno, de bugs o errores de diseño antes del tape-out y fabricación? Esta es precisamente la dirección en la que he estado investigando durante los últimos años.
De acuerdo con estos mismos datos de investigación, en todo el proceso de desarrollo de chips, especialmente con el desarrollo actual de la inteligencia artificial y diversas tecnologías de vanguardia, los chips se están volviendo cada vez más complejos. La verificación de chips se ha convertido así en un eslabón que ocupa una proporción muy alta en el ciclo de desarrollo total de los chips, incluso superando la mitad, alcanzando el 70% del ciclo total de diseño de chips.
Pero lamentablemente, la verificación de chips también es algo muy difícil. Aquí enumero algunos números astronómicos, como la circunferencia de la Tierra, la cantidad posible de estrellas en la Vía Láctea o la longitud de un año luz.
En la verificación de chips, también existe un número astronómico: la cantidad de ciclos necesarios para verificar completamente un núcleo de CPU. ¿Qué representa este número astronómico?
Si usamos la tecnología de simulación de software más avanzada actual para verificar completamente un núcleo de CPU, se necesitan al menos 15,000 años. Usando la tecnología de emulación de hardware más avanzada actual, podemos acortar este tiempo ligeramente a 30 años. Pero todos sabemos que desarrollar un chip no puede esperar 15,000 años, ni 30 años.
Entonces, ¿cuál es la esencia del problema? En realidad, lo hemos estado investigando en los últimos años. Descubrimos que en la verificación de chips existe un llamado "triángulo imposible", es decir, el alto rendimiento de la verificación, una buena capacidad de depuración y el bajo costo; y estos tres factores cruciales para la verificación de chips no pueden satisfacerse simultáneamente. Para los métodos o investigaciones principales actuales, como máximo se pueden lograr dos de los tres, y esta es precisamente la razón fundamental por la cual la eficiencia de la verificación de chips es muy baja.
Alguien tiene que hacer algo diferente
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Debido a estas razones, la verificación de chips no ha tenido un gran desarrollo en el pasado.
En las empresas de chips, los ingenieros de chips pueden estar más enfocados en escribir casos de prueba y ejecutar regresiones de verificación. En esencia, es un trabajo duro y tedioso. Lo mismo ocurre en el ámbito académico: hay muy pocos académicos dedicados a la investigación en verificación de chips, especialmente en comparación con áreas candentes como la inteligencia artificial, la investigación relacionada con la verificación de chips es muy escasa.
Por eso, un académico destacado me dijo que en el mismo tiempo, podría publicar tres o incluso más artículos en el campo de la inteligencia artificial, pero en verificación de chips, quizás no publique ni uno.
Lamentablemente, tenía razón.
Sin embargo, alguien tiene que hacer algo diferente.
Por lo tanto, durante los últimos años, he dirigido a un equipo dedicado a la investigación relacionada con la verificación de chips, y hemos construido desde cero un sistema de investigación de verificación ágil. El núcleo de este sistema de investigación es una plataforma de verificación llamada ENCORE, basada en un chip especial: las matrices de puertas programables en campo (FPGA). ENCORE puede mejorar significativamente la eficiencia de la verificación y lograr una buena capacidad de depuración.
Para construir este sistema de investigación de verificación ágil, por un lado, necesitamos optimizar constantemente la eficiencia de la detección, depuración y corrección de errores a nivel algorítmico; por otro lado, también esperamos construir una plataforma de aceleración de verificación ágil de extremo a extremo basada en chips de lógica programable (FPGA). A nivel de aplicación, esperamos que esta plataforma sea aplicable tanto para la verificación de procesadores de propósito general, como CPU o GPU, como para la verificación de chips de aplicación específica, como los aceleradores de IA, muy populares en la actualidad.
En el pasado, hemos realizado mucho trabajo de exploración de vanguardia en este campo, incluyendo el mencionado ENCORE y muchas nuevas investigaciones. También hemos publicado estos resultados de investigación en muchas conferencias académicas internacionales reconocidas.
Posteriormente, también hemos estado realizando trabajos muy interesantes, pero como aún no se han publicado, no los compartiré por ahora.
Hacer que más personas comprendan mejor los chips
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Sin embargo, durante el proceso de investigación, gradualmente descubrí que estos resultados científicos o académicos están dirigidos principalmente a un pequeño círculo de personas que solo entienden la verificación de chips y campos relacionados. Entonces, ¿cómo hacer que más personas vean nuestro trabajo, comprendan nuestra investigación científica e incluso participen en él?
Naturalmente, se me ocurrió la divulgación científica sobre chips, lo que también me parece muy interesante. Llevo cuatro o cinco años dedicándome a la divulgación, desde textos al principio, hasta luego hacer videos en Bilibili. La divulgación sobre chips no solo me ha traído muchos aprendizajes, sino que también me ha ayudado a conocer a muchos amigos afines, así como a espectadores que me aprecian y apoyan.
Sin embargo, hacer videos de divulgación sobre chips no es algo simple, especialmente en la actualidad con la proliferación de videos cortos. Otro destacado creador de contenido científico también me dijo que en el mismo tiempo que yo hago un video largo y profundo sobre divulgación de chips, él podría hacer 10, o incluso más videos cortos relacionados con temas candentes, y su audiencia podría ser muchas veces mayor.
Lamentablemente, también tenía razón.
Pero sobre esta base, creo que aún necesitamos personas que insistan en hacer cosas difíciles. Espero poder combinar la divulgación sobre chips y la verificación de chips, dos cosas igualmente difíciles pero interesantes, y mostrarles a través de videos y textos lo que hacemos, los artículos que hemos publicado y contenidos como los chips de código abierto que nuestro gran equipo está investigando.
Además de los chips, también compartiré con ustedes tecnología dura como la inteligencia artificial y la informática, así como mis experiencias de crecimiento, los libros que he leído y el conocimiento que he adquirido. Sé que en realidad no soy un genio, ni un experto omnisciente y todopoderoso. Más bien, espero poder ser una especie de "guía" para todos, compartiendo el camino que he recorrido.
Así que, volviendo a la pregunta que quería compartir hoy: la investigación científica sobre chips y la divulgación sobre chips, ¿cuál es más interesante? Por supuesto, para mí ambas son igualmente interesantes. La razón es simple: porque ambas son igualmente difíciles. Al mismo tiempo, ambas requieren que las mantenga a largo plazo, de manera persistente.
Mucha gente dice que debemos hacer cosas difíciles pero correctas. Pero el problema real es: ¿cómo juzgas si algo es correcto antes de hacerlo? Si algo es considerado por otros como sentarse en un banco frío, como hacer trabajo duro y tedioso, ¿seguirías insistiendo en hacerlo?
Por lo tanto, prefiero hacer cosas difíciles y a largo plazo, como la investigación académica en verificación de chips, como hacer videos largos y profundos de divulgación sobre chips. Porque si algo es difícil y requiere persistencia a largo plazo, es muy probable que sea correcto.
Esto es todo lo que quería compartir con ustedes hoy. Soy Lao Shi, ¡gracias a todos!
Este artículo proviene del WeChat Official Account: Gezhi Lundao Jiangtan (Foro de Ciencia) , autor: Shi Kan, título original: 《¿Qué tan difícil es hacer un chip? Un error en una operación de división le costó 475 millones de dólares | Shi Kan》
