Núcleos: cuestión de licencias… y la jugada maestra de China que podría traer cola – Parte 2/2

En el anterior artículo intenté explicar las diferencias entre soft y hard core, así como las licencias de hardware bajo las que se pueden distribuir estos diseños. Una vez tengas ya la idea de qué va cada uno de estos términos, el siguiente paso es hablar de algunas historias interesantes que deberías conocer.

Estos son algunos grandes ejemplos que te van a ayudar a tener más claro los términos del artículo anterior, y ya de paso conocer algo más sobre el negocio del licenciamiento de hardware. Así que si te gustan las historias de batallas de chips con algunos tintes retro, coge palomitas y disfruta…

El caso de AMD y los Hygon

Hay una historia que quizás te haga comprender mucho mejor todo lo del artículo anterior, y rescatando a un histórico de las batallas de microprocesadores que ha resucitado y se hechaba de menos, como es VIA/Centaur (). Hubo un caso reciente en el que AMD ha licenciado cores IP a China, un país rival de EE.UU., pero esto tal como están las relaciones entre ambos países podría suponer un conflicto, pero que gracias a las diferencias entre licenciamientos no ha sido así.

Para los que no recuerden a VIA/Centaur, decir que hubo un fabricante de chips llamado IDT que compitió en su momento en el mercado x86 contra Intel y AMD, con sus procesadores Winchip. IDT vendería su división Centaur a la taiwanesa VIA Technologies en 1999. En aquella época también estaba Cyrix, otro competidor de los x86, y fundada por ex-miembros de Texas Instruments. En 1997 se fusionaría con National Semiconductor y finalmente vendida también a VIA Technologies.

Introducción

Bien, lo primero decir que AMD no ha sublicenciado la ISA x86-64 o AMD64 a China, sino que les ha licenciado sus núcleos IP basados en la microarquitectura Zen. Por tanto, los chinos pueden fabricar estos chips en sus factorías para su uso en HPC sin necesidad de comprarlos a los americanos directamente.

Esto no ha sido mal visto por el gobierno de Estados Unidos, ya que miran con lupa cada CPU de alto rendimiento que sale de allí. Y lo hacen usando un valor basado en el rendimiento según los FLOPS y potencia que logra desarrollar. Y las que están por encima de un umbral específico podrían tener limitaciones cuando se trata de venderlas a países que se consideran competidores.

Aquí hay algo raro, ya que los microprocesadores para HPC de AMD sí que superan ese umbral de rendimiento y por tanto se debería haber frenado el acuerdo por parte del gobierno de EE.UU. En cambio, el Departamento de Defensa, el Departamento de Comercio y otras agencias de EE.UU. estaban al tanto y no lo hicieron. ¿Por qué? Lo importante para entenderlo es que estas conversaciones entre departamentos y la empresa fueron en 2015 (momento en el que Zen estaba fraguándose y no se obtendrían los primeros chips hasta 2017).

Bueno, aquí hay algunos más conspiratorios que piensan incluso en posibles backdoors… pero lo cierto es que le dieron el visto bueno al no representar una amenaza. Pero quizás otros puedan pensar en una jugada maestra que se la colaron por la escuadra al DoD y al DoC. Y es que con los datos de la anterior microarquitectura de AMD, los datos no llegaban a ese umbral peligroso, en cambio los datos de la posterior Zen eran mucho más potente de lo que imaginaban. De hecho, AMD recibió el ok como indicó en un mensaje «la tecnología propuesta no estaba restringida ni prohibida para su transferencia«.

Comienzo del negocio

Tras el OK, AMD tiene vía libre para ofrecer sus cores IP Zen 1 a China. De esa forma, China dependía algo menos de la tecnología estadounidense, comprando esta propiedad intelectual para autoabastecerse.

Eso no solo implica fabricar en sus fabricas de TSMC los chips, sino también que el gobierno de EE.UU. no sepa la cantidad de chips producidos en un sector HPC chino que se guarda recelosamente. Los nuevos chips tampoco tendrían nombre americano, sino que se pasan a llamar Hygon Dhyana.

Estos chips estarían bajo el paraguas de un empresa conjunta o Joint Venture llamada THATIC (Tianjin Haiguang Advanced Technology Investment Co. Ltd.). THATIC es propiedad de AMD (aprox 51%) y una combinación de empresas chinas, tanto públicas como privadas, incluida la Academia China de Ciencias.

• AMD (Advanced Micro Devices) tiene el 51%
• HMC (Haiguang Microelectronics Co. Ltd.) tiene el 49%
• Hygon (Chengdu Haiguang Integrated Circuit Design Co. Ltd.) que a su vez es propietaria del 30% de las acciones de AMD, y por tanto, de un 70% de THATIC.

HMC también tiene derecho para agregar elementos de codiseño y empaquetado a sus chips, y luego los vende al sector HPC de China. Es un poco enrevesado, pero espero que esté más o menos claro…

El papel de cada parte

Ahora lo que se hace en HMC se hace sin intervención de ingenieros ni ejecutivos de AMD, por lo que tienen mayor libertad. Lo que no tienen en ningún momento son los modelos RTL de los Zen 1 de AMD, sino que simplemente se les ha dado los planos de planta, es decir, los que usa la foundry para fabricarlos. Eso aporta menos detalles de su funcionamiento.

Además, las actualizaciones o modificaciones que se hacían pasaban por ingenieros de AMD y ellos las aprobaban o rechazaban. Una vez aprobadas, HMC fabrica los chips en una foundry elegida y se los entrega a Hygon para empaquetarlos con varias configuraciones chiplets y su venta en el mercado chino. Es Hygon el encargado de crear las placas base compatibles para esta plataforma.

En resumen, los pasos son:

1. AMD licencia su core IP Zen 1 a HMC con un diseño sugerido por los chinos.
2. HMC entrega el plano a Hygon y ésta los revisa para sugerir cambios.
3. Los ingenieros de AMD aprueban o rechazan estos cambios. Estos primeros pasos se repiten hasta obtener el modelo final deseado.
4. Con el modelo listo, HMC entrega el plano final a Hygon.
5. Hygon ordena la fabricación de los wafers en una foundry.
6. La foundry fabrica los chips con una frecuencia/rendimiento que aporte el nodo que esté usando para este diseño y los entrega a HMC.
7. HMC vende este die a Hygon.
8. Hygon empaqueta los dices o chips y crea las placas base.
9. Hygon vende su plataforma en el mercado Chino. Los Hygon Dhyana de 32 núcleos para grandes máquinas y otros de 8 núcleos que podrían destinarse para el sector educativo y gubernamental (administraciones).

THATIC tiene así un acuerdo de varios años para el diseño subyacente de AMD Zen 1, pero parece que no habrá planes más allá de esto (el motivo lo comento más adelante). Y por lo que parece en los benchmarks, por algún motivo, los productos chinos tienen un rendimiento algo inferior usando ciertas instrucciones a los vendidos directamente por AMD. ¿Por qué? No lo sé…

Algunos piensan en backdoors o puertas traseras. En cambio, parece que la explicación podría estar en una actualización del kernel Linux que se pidió, y para potenciar el trabajo con algoritmos de criptografía elípticos que usan allí. Por tanto, un microcódigo diferente podría ser el motivo…

Supongo que China se habrá asegurado de que estos chips son seguros, ya que van a ser usados en sistemas críticos como el sector HPC, como son los servidores empresariales, y centros de datos para supercomputación. Lugares donde se maneja información sensible, desde armamentística, investigación nuclear, etc.

Alerta en EE.UU.

Lo cierto es que en 2018 se entregaron los primeros chips Hygon, y existe algo de secretismo sobre ellos.  Y un año más tarde de su venta, en 2019, el gobierno de Estados Unidos creó una lista con compañías chinas que consideraban una amenaza para la seguridad estadounidense. Y THATIC fue una de las incluidas en la lista.

Por ese motivo, AMD ya no podrá hacer lo mismo con Zen+, Zen 2, Zen 3, Zen 4 o sucesivas microarquitecturas. En cambio, China se queda con la capacidad de seguir fabricando y vendiendo las basadas en Zen 1. GlobalFoundries, la fábrica que comenzó a fabricar estos chips, tampoco podrá seguir haciéndolo, ahora pasará a TSMC.

La historia puede cambiar… llega Zhaoxin

THATIC no tiene una sublicencia de la ISA x86-64, simplemente la licencia del core IP. ¿Pero eso es una batalla ganada por EE.UU.? Yo creo que no, y lo explicaré en el siguiente apartado. Los ganadores de este acuerdo fueron China y AMD, que obtiene unos beneficios de este Joint Venture, y haciéndose con el mercado HPC de chips en China en el que Intel no tiene cabida.

Pero existe otra Joint Venture similar a la anterior que puede superar este bloqueo del gobierno de Estados Unidos, y es aquí donde entra en juego VIA Technologies. Y es que se creó en 2013 una fabless como empresa conjunta entre el gobierno municipal de Shanghai y VIA Technologies.

Y es que ésta última tiene, no una licencia para cores IP de x86, sino una sublicencia de la ISA para crear libremente sus microarquitecturas x86-64 con libertad. Y la tiene desde la época que cité anteriormente de Centaur, IDT, Cyrix, etc.

La empresa conjunta se llama Zhaoxin (Shanghai Zhaoxin Semiconductor Co. Ltd.), y su nombre da una idea de lo que pretenden hacer, ya que singifica en chino millon de núcleos. Ya que no pueden competir en rendimiento single-core, pretenden crear empaquetados multinúcleo que si lo hagan con respecto a las unidades americanas.

Con ello pretenden reducir la dependencia de China de la tecnología de Estados Unidos, pero en este caso para el sector del consumo, para los PCs. Usan como base la microarquitectura Isaiah de VIA en la familia ZX y la microarquitectura Nano en la ZX-A y ZX-B. En cuanto a los ZX-C se basa en QuadCore-E y Eden X4.

Los ZX-D también incluyen el northbridge del chipset integrado dentro del mismo chip, como los modernos chips x86 de Intel y AMD, para mejorar el rendimiento. También se incluye una GPU integrada como la VIA S3 Graphics. Todos estos chips están fabricados por Shanghai Huali Microelectronics Corporation.

Recientemente han creado las series KX (formalmente ZX-E) y KH, nuevas designaciones para el escritorio y los servidores, con mayor rendimiento. Los KX-5000 tienen un rendimiento comparable a los Intel Core i5 de 7ºGeneración, lo que es un rendimiento bastante considerable. Y los KH-6000 consiguieron un rendimiento similar al Intel Core i5-7400.

Con los nuevos ZX-F (KX-7000 y KH-40k) se pretende llegar a la paridad de rendimiento con generaciones más modernas de los chips de Intel o los AMD Ryzen de 2018. Eso podría ser una seria amenaza para sus competidores americanos…

Otros intentos de China

Estos chips Zhaoxin no son el único intento, los hubo y los habrá. Rusia lo hizo con sus Elbrus, ahora Europa lo hace con EPI, Japón con varios proyectos (principalmente de Fujitsu), y China lo intentó con Longson, y luego con sus FeiTeng y Sunway:

En otra ocasión hablaré de los rusos, japoneses, etc., que también tienen historias muy interesantes tras ellos.

• Loongson: basados en MIPS de 64-bit, con capacidad de asistencia por hardware de emulación para x86. Actualmente continúan vendiéndose para dispositivos de bajo consumo y embebidos.
• FeiTeng o YHFT (YinHeFeiTeng): es una CPU diseñada y producida en China para supercomputación o HPC. Desarrollados por Tianjin Phytium Technology, con un equipo de desarrollo dirigido por el profesor Xing Zoucheng del NUDT (National University of Defense Technology). La primera generación, los FeiTeng-1000, de estos chips fue compatible a nivel binario con los Intel Itanium 2 (IA-64), pero a pesar de eso estaban basados en la ISA SPARC v9 (un informe de 2021 de la European High Performance Computing reveló que usaron el proyecto OpenSPARC). Contenía 8 cores, con capacidad de ejecutar de forma simultánea 64 threads. Usaban un bus HyperTransport para la comunicación con memoria y controladores PCIe. Fueron usados para el supercomputador Tianhe-1A en un número de 2048 procesadores junto con 7168 GPUs NVIDIA Tesla y 14336 CPUs Intel Xeon. La segunda generación FT64 eran stream processors usadas como aceleradores en supercomputación. Otros chips derivados de este proyecto, como el Galaxy FT-1500 fue usado en el Tianhe-2, con 16 cores y en una proporción de 4096 de ellos. Una versión FT-1500A se basó en ARM64, diseñada por Phytium y con 16 núcleos ARMv8 y 32-lanes PCIe.
• Sunway o ShenWei: es un procesador misterioso chino para supercomputación orientada a uso militar. Desarrollado por Jiangnán Computing Lab. Se sabe que es de tipo RISC, y se cree que está inspirado en los famosos DEC Alpha, concretamente el SW-3 en el ALpha 21164 de Digital Equipment (pero con una ISA misteriosa que no ha trascendido), unos procesadores que fueron en su época un referente al que todos miraban y copiaban. Aún recuerdo las cosas maestras que hacían cuando estudiaba el tema para mi enciclopedia sobre microprocesadores, como la distribución del clock en forma de árbol, etc. El SW-1 era single-core de 900 Mhz y producido en 2006; luego vino el SW-2 de 2008 con 1.4 Ghz, DualCore y TDP de 70-100w; SW-3 y SW1600 fue la tercera generación de 2010, con 16-core, 1.2Ghz y una gran mejora respecto a los anteriores; SW2610 vinieron en 2016, la 4ºGen de tipo manycore que contienen 64 procesadores ligeros en 4 clusters.