Na ovogodišnjem FERConnectu, koji će se održati 27. listopada, raspravljat će se o europskoj digitalnoj suverenosti. Događaj je pokrenuo Alumni odbor Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu, s ciljem povezivanja bivših studenata i stručnjaka iz industrije. Događaj će se odvijati pod imenom "Can Europe Shape Its Own Digital Future? – European perspectives and FER's role in strategic partnerships, from chips to high-performance computing and AI". Tim smo povodom razgovarali s dvojicom sudionika, prof. dr. sc. Marijem Kovačem, direktorom Istraživačkog centra za arhitekture i aplikacije računala visokih performansi na FER-u, te Vincentom Casillasom, tehnološkim direktorom tvrtke SiPearl, koja se bavi dizajnom čipova i razvila je Rhea1, dosad najsloženiji čip proizveden u Europi.
Što je to dizajn čipova, kako se on radi i za što se koristi?
Mario Kovač: Dizajn čipova složen je postupak specificiranja, projektiranja i proizvodnje kompleksnih integriranih elektroničkih komponenti koje se danas koriste u većini uređaja kojima se služimo, od malih kućanskih aparata, mobitela, automobila pa do velikih računalnih centara. Postupak se sastoji od nekoliko ključnih koraka. Definicija osnovnih specifikacija čipa prvi je korak u kojem se određuju namjena čipa te njegove osnovne funkcije. Nakon osnovne specifikacije inženjeri pristupaju definiciji arhitekture čipa. Opis arhitekture obuhvaća specifikaciju svih najvažnijih dijelova čipa, njihovu funkcionalnost i međusobnu povezanost te se izvode prve provjere na najvišim razinama. U sljedećem koraku inženjeri pristupaju detaljnoj razradi arhitekture opisujući je u posebnim programskim jezicima za opis sklopovlja, najčešće Verilog ili VHDL, što predstavlja osnovnu podlogu za kasniju fizičku izvedbu. Nakon definiranja cjelokupne arhitekture čipa provode se funkcionalne provjere kako bi se utvrdilo odgovara li projektirano rješenje početno postavljenim specifikacijama. U sljedećim koracima, iz prethodnog opisa radi se sinteza za ciljanu tehnologiju te fizički dizajn rasporeda svih sklopova na površini budućeg čipa. Tijekom sva tri prethodna koraka kontinuirano se provode detaljna simulacija i verifikacija korištenjem naprednih programskih i sklopovskih platformi za dizajn, verifikaciju, simulaciju i emulaciju kako bi se u što većoj mjeri izbjeglo postojanje bilo kakve greške u dizajnu prije slanja u proizvodnju. Proizvodnja čipova iznimno je skup proces, a i najmanja pogreška može rezultirati time da proizvedeni čip bude neupotrebljiv. U završnoj fazi dizajn čipa šalje se u tvornicu na izradu prototipa, koji se potom dodatno testira kako bi se potvrdila njegova ispravnost. Tek nakon uspješne provjere slijede masovna proizvodnja i šira primjena čipa.
Zašto ste se odlučili za razvoj čipova za HPC, umjesto za neku drugu, možda komercijalno isplativiju i jednostavniju arhitekturu ili onu namijenjenu umjetnoj inteligenciji?
Vincent Casillas: Odgovor na ovo pitanje seže u 2018. godinu, kada je osnovano Zajedničko poduzeće za europsko računalstvo visokih performansi (EuroHPC JU) s ciljem razvoja vrhunske europske infrastrukture za računalstvo visokih performansi (HPC). Međutim, još uvijek je postojao problem: 100 posto CPU-ova koji su se koristili u europskim HPC infrastrukturama bilo je neeuropskog podrijetla. Problem je počeo biti sve vidljiviji u kontekstu sigurnosti (postojanje takozvanih kill-switcheva, stražnjih ulaza), sigurnost ponude i konkurentnosti. Europska unija potom je raspisala natječaj s ciljem povratka razvoja visokoučinkovitih i energetski učinkovitih procesora (CPU) u Europu, koji bi se koristili u infrastrukturi EuroHPC-a. Na natječaju je pobijedio konzorcij okupljen u sklopu Europske inicijative za procesore (EPI). Činili su ga predstavnici akademske zajednice i istraživačkih centara koji se koriste HPC-om, među kojima su FER, Forschungszentrum Jülich i GENCI, kao i velike korporacije poput Bulla te startupi. Konzorcij je imao zadatak utabati put prvoj generaciji europskih CPU-ova. SiPearl je privatna kompanija koja je proizašla iz konzorcija, a stvorili mo je kako bi ovaj procesor dovela do tržišta. Zadatak koji je Europa povjerila EPI-ju, a potom i SiPearlu, bio je jasan: dizajnirati energetski učinkovit CPU procesor visokih performansi, za suvereni HPC i AI. Obje institucije ispunile su svoju misiju. Prve smo čipove iz proizvodnje dobili u svibnju: bila je to prva generacija SiPearlovih CPU-ova, nazvana Rhea1. Dostavljeni su kompaniji Bull koja je počela s njihovom integracijom na svoju platformu BullSequana XH3000 za JUPITER, prvo europsko egzaskalarno računalo.
Mario Kovač: Čipovi za računalstvo visokih performansi (HPC) odabrani su jer omogućuju primjenu u nekim od tehnološki najzahtjevnijih i najkompleksnijih područja. Ovladavanje takvim tehnologijama stvara znanje i iskustvo koji se poslije mogu primijeniti i na manje zahtjevne zadatke. Budući da i umjetna inteligencija zahtijeva iznimno napredne čipove, arhitekture koje razvijamo već su osmišljene tako da se u budućim generacijama mogu prilagoditi i primjeni u tom području.
U dokumentaciji o ovim projektima često se spominje riječ "fabless", što znači bez proizvodnih pogona. Može li takav poslovni model biti dugoročno održiv i omogućiti ostvarenje europske tehnološke suverenosti bez vlastite proizvodnje?
Mario Kovač: To je u potpunosti moguće. Neke od najvećih svjetskih tvrtki u ovom području nemaju vlastite tvornice. Čipove razvijaju same, a njihovu proizvodnju povjeravaju specijaliziranim proizvođačima. Naravno, potpuna tehnološka suverenost zahtijeva i vlastite proizvodne kapacitete. Zato EU ulaže u razvoj europske proizvodnje čipova naprednim tehnologijama, što potvrđuju inicijative poput Europskog akta o čipovima 2.0 i aktivnosti Zajedničkog poduzeća za čipove (Chips JU).
Za koga se razvijaju čipovi u sklopu ovih projekata? Jesu li, osim suradnje sa SiPearlom, već sklopljeni sporazumi s drugim tvrtkama ili se primjenjuju i neki drugi modeli suradnje?
Mario Kovač: Ovo su strateški projekti EU i suradnja je uspostavljena s brojnim najjačim industrijskim i istraživačkim partnerima iz petnaestak zemalja Unije. Naime, upravo zbog strateške važnosti za njezinu suverenost, partneri u ovim projektima pomno su birani i predstavljaju najbolje EU centre znanja.
S obzirom na ogromne napretke koje u razvoju čipova bilježe Sjedinjene Države, Tajvan i Kina, pa i neke europske tvrtke, je li realno očekivati da Europa razvije konkurentan proizvod? Ako da, kako?
Vincent Casillas: Trenutačno postoji nekoliko kompanija koje u Europi dizajniraju akceleratore koji mogu konkurirati s GPU-ovima proizvedenima na američkom tržištu, ali samo jedna europska kompanija dizajnira CPU-ove. To je SiPearl. Da, realno je zamisliti da se Europa natječe sa Sjedinjenim Američkim Državama i Kinom i mi to upravo sad i pokazujemo. Naši procesori prve generacije imat će performanse usporedive s našim globalnim konkurentima, ali s dodatnim benefitima digitalne neovisnosti. Neovisnost takve vrste nije luksuz ni nekakav sitan detalj, nego jako bitna stavka trenutačnog geopolitičkog konteksta. Europi nudimo sigurnost uz proizvod čiji se dizajn može provjeriti i koji nema takozvane stražnje ulaze ni mehanizme za daljinsko isključivanje (kill switch). Jamčimo i sigurnost opskrbe jer na naš proizvod ne utječu embargo i slična ograničenja. Važna je i konkurentnost jer ulaganjem u vlastitu tehnologiju novac ostaje u Europi. Za naše procesore nisu zainteresirane samo europske zemlje. Mnoge države traže energetski učinkovite i visokoučinkovite procesore koji nude veću sigurnost i predstavljaju alternativu rješenjima iz SAD-a i Kine.
Kako je došlo do suradnje SiPearla i FER-a, kako se ona odvija i koji su dosadašnji rezultati?
Mario Kovač: FER je bio jedan od inicijalnih partnera projekta Europske inicijative za procesor, koji je počeo 2018. kao prvi EU strateški tehnološki projekt za stvaranje europske porodice procesora i akceleratora za HPC. Kao jedan od ključnih ciljeva EPI projekta bilo je i stvaranje tvrtke koja će nastaviti s komercijalizacijom istraživanja iz EPI projekta. Tako je 2019. osnovana tvrtka SiPearl te se možemo pohvaliti da smo mi surađivali s njezinim pokretačima i prije nego što je službeno počela postojati. Ta se suradnja uspješno odvija sve do danas. Kao naš glavni, zajednički uspjeh iz dosadašnje suradnje sigurno možemo naglasiti uspješnu proizvodnju procesora Rhea1 koji predstavlja najkompleksniji procesor koji je ikad dizajniran u Europi.
U toj suradnji nastao je procesor Rhea1 koji proizvodi ugledni tajvanski TSMC, a on pogoni i JUPITER. Kolike su mogućnosti ovog procesora, koristi li se još negdje osim u JUPITER-u?
Vincent Casillas: Prvi primjerci čipa Rhea1, proizvedeni u tvornici TSMC, stigli su u laboratorije SiPearla u svibnju. S više od 61 milijarde tranzistora, Rhea1 najsloženiji je serverski procesor dosad razvijen u Europi. U jednom pakiranju objedinjuje 80 jezgri Arm Neoverse V1 i četiri skupine ugrađene memorije HBM. Procesor podržava širok raspon kompajlera, biblioteka i razvojnih alata, od programskih jezika poput C-a, C++-a, Go-a i Rusta do platformi za umjetnu inteligenciju, kao što su TensorFlow i PyTorch. Prilagođen je tradicionalnim zadacima računalstva visokih performansi (HPC), kao i obradi podataka potrebnoj za zaključivanje modela umjetne inteligencije (AI inferencija). Uz isporuke za Bull i superračunalo JUPITER, SiPearl je nedavno dostavio uzorke procesora Rhea1 i tvrtki HPE u Grenobleu u Francuskoj. Ondje su ugrađeni u referentni poslužitelj Seine Server kako bi sudjelovali u još jednom europskom projektu, OpenCUBE-u. Cilj je projekta razviti model cloud platforme spreman za primjenu, temeljen na europskim procesorima i u potpunosti otvorenom softverskom okruženju. Uskoro se očekuju i nove isporuke. Prodajni tim SiPearla kontinuirano zaprima iskaze interesa europskih centara za superračunalstvo, pružatelja cloud usluga, AI tvornica i brojnih drugih tvrtki i organizacija.
Slijede Rhea2 i Athena1; u kojoj su fazi ti procesori, gdje će se primjenjivati?
Vincent Casillas: Athena1 i Rhea2 trenutqčno su u fazi razvoja. Nastavljamo s ekspertizom koju smo razvili za Rheu1, pa je Athena1 zapravo prilagođena verzija. Imat će novi BGA paket SKU-ova od 16 80 arm® Neoverse V1 jezgri, ali bez HBM sloga. Zahvaljujući ovim ključnim karakteristikama, Athena1 ima svrhu u satelitskim komunikacijama za vojsku, obavještajnu službu, nadzor i izvođenje, domenu svemirskih tehnologija, praćenje i nadziranje u svemiru i mnoge druge primjene dvojne svrhe.
Rhea2 bit će ugrađena u skalarnu particiju superračunala Alice Recoque, nove generacije sustava namijenjenog zahtjevnim zadacima računalstva visokih performansi (HPC) i umjetne inteligencije. Superračunalo će ujedno služiti kao AI tvornica te bi trebalo postati prvo francusko i drugo europsko egzaskalarno superračunalo. Projekt financiraju Zajedničko poduzeće EuroHPC (EuroHPC JU) i konzorcij Jules Verne, a predvodi ga Francuska, uz sudjelovanje institucija GENCI i CEA. U projektu sudjeluju i Nizozemska, preko organizacije SURF, te Grčka, preko organizacije GRNET. SiPearl s procesorom Rhea2 cilja i na europsko tržište podatkovnih centara. Više pojedinosti o novom procesoru bit će objavljeno uskoro.
Hoćemo li primjenu nekih od ovih procesora vidjeti i u Hrvatskoj?
Mario Kovač: Uvjereni smo da će se, nakon što procesori iz obitelji Rhea i Athena uđu u masovnu proizvodnju, sustavi temeljeni na njima koristiti i u Hrvatskoj. Naša je prednost što ćemo budućim korisnicima iz industrije i akademske zajednice moći pružiti znanje potrebno za njihovu učinkovitu primjenu, ali i razvijati nove proizvode koji će biti konkurentni na globalnom tržištu.
Kakvi su daljnji planovi FER-a u području dizajna čipova? Razmišlja li se o pokretanju novih startupa i zapošljavanju stručnjaka te kako vidite budućnost razvoja čipova na FER-u?
Mario Kovač: Dizajn čipova jedno je od ključnih područja djelovanja FER-a, kako danas tako i u budućnosti, osobito zbog sve veće potrebe za tehnološkim rješenjima koja uključuju umjetnu inteligenciju. U tom kontekstu naša grupa sudjeluje i u razvoju procesora i akceleratora temeljenih na arhitekturi RISC-V, među ostalim u sklopu projekta DARE. Riječ je o tehnologiji koja se smatra jednom od važnijih za budućnost razvoja čipova, a FER je od samih početaka uključen u europska istraživanja i razvoj na tom području.