innovation logo

על זה כל ההייפ

HIPER

בעולם שבו עלויות התכנון והייצור של שבבים מגיעות לסכומי עתק, תעשיית השבבים הישראלית משקיעה בפיתוח יכולות מיוחדות. כנגד הסיכויים והסיכונים, מאגד HiPer חיבר את התעשייה והאקדמיה, יצר ידע ייחודי והשכיל לסנכרן בין צרכי התכנון של חברות שונות לטכנולוגיות חדשניות בעיבוד נתונים על גבי שבב מדגים

 

לפני 40 שנה קבע גורדון מור, ממייסדי אינטל, את חוק מור, לפיו בכל שנתיים כמות הטרנזיסטורים בשבב תגדל פי שניים. ואכן, במציאות התעשייה התנהלה פחות או יותר כך. הבעיה היא שכיום השבבים הגיעו למצב שבו קשה מאוד להקטין אותם יותר – הגודל של הטרנזיסטור מתקרב לגודל של מספר אטומים, ומכאן הרבה יותר קשה להתקדם. זה גרם לכך שההתקדמות בטכנולוגיית השבבים האטה וכמעט נעצרה. 

אחד מהגורמים שצפו את המצב הזה כבר לפני חמש שנים היה מאגד High Performance System on Chip) HiPer). המאגד הוקם על ידי רשות החדשנות ב-2014 והוא כולל חברות מסחריות ומכוני מחקר אקדמיים הפועלים יחד במטרה לפתח טכנולוגיות, שיטות וכלים חדשים לפיתוח של פלטפורמות System on Chip) SoC) מורכבות.

המאגד מתרכז בפיתוח התחום שנקרא System on Chip. כלומר, לא מדובר במערכת של מספר שבבים, אלא בשבב אחד שיש בתוכו מערכת עיבוד שלמה. מחשב שלם על שבב אחד. המערכת הזאת הולכת והופכת מרכזית יותר בעולם האלקטרוניקה וכיום כמעט בכל שבב מכניסים מערכת כזאת. 

המאגד פיתח מתודולוגיות וכלים חשובים להתמודדות עם שיפור ביצועים ועם קיצור זמן הפיתוח של השבבים. אם לוקח היום לחברה בין שנה לשנתיים לפתח שבב - בכפוף למורכבות שרק עולה כל הזמן - אפשר לקצר את זמן הפיתוח בעשרות אחוזים אם יש לה כלים מתאימים. במאגד פותחו כמה כלים כאלה - שחלקם לא קיימים בשום מקום אחר בעולם. זה חוסך לחברות שבמאגד הרבה מאוד כסף, כי הן יכולות להימנע ממירוץ אחר טכנולוגיות הייצור החדשות ביותר. וכשמדובר בעשרות מיליוני דולרים, יש חברות שעבורן המשמעות היא להיות או לחדול. 

כל החברות במאגד מפתחות שבבים ולכן כמעט כל כלי ומתודולוגיה המפותחים במאגד רלוונטיים להן – גם אם החברות לא מכניסות אותם ישר לתוך המוצר, אלא לתהליכי הפיתוח. שתי דוגמאות טובות לחשיבות הכלים שפותחו במאגד הן שחברת CEVA כבר הכניסה למוצריה טכנולוגיות שפותחו במאגד בשיתוף אוניברסיטת תל אביב, וגם חברת מלאנוקס (שמאז הרכישה על ידי Nvidia נקראת מלאנוקס Nvidia) יישמה טכנולוגיות מסוימות שפותחו במאגד במוצרים שלה.

ענר שהם, מהנדס תוכנה ואיש הייטק ותיק, הוא המנהל הטכני של המאגד ואחד משני היזמים שעומדים מאחוריו. היזם השני, שי אדר מחברת CEVA, הוא יו"ר המאגד. 

"העובדה שחזינו את הבעיות הטכנולוגיות היא אחת מההצלחות של המאגד", מספר שהם. "בנוסף, הבנו שיש לחלק מהן פתרון. חשבנו שאם ההתקדמות לא תהיה מהירה כמו קודם, אפשר אולי להתקדם בצורות אחרות ולא רק בטכנולוגיית הייצור עצמה. כלומר, הפתרון לא יהיה טמון רק בייצור שבבים צפופים ומהירים יותר. 

"המאגד הוקם כדי לתת לחברות הישראליות אפשרות להתמודד עם הבעיות שצצות במעבר לייצור יקר ומסובך יותר. זאת על ידי שנמצא אפשרות לעשות דברים אחרת. כלומר, לפתח אלגוריתמים יעילים יותר, כלים נוחים יותר ומהירים יותר דווקא בטכנולוגיות הייצור הקיימות.

"בואו נדבר במספרים: הטכנולוגיה של הייצור הולכת ומתקדמת וככל שהיא מתקדמת המספרים שמייצגים את גודל הטרנזיסטור הולכים וקטנים. התחלנו את העבודה במאגד לפני חמש שנים עם פיתוח של שבב מדגים של 28 ננומטר. עם ההתפתחות הטכנולוגית העולמית התאמנו עצמנו ואנו פועלים לשבבים קטנים יותר. בעולם מדברים כבר על ירידה ל-8-7 ננומטרים ואף פחות מזה. אבל צריך להבין שככל שיורדים המספרים, כך הייצור נעשה יקר הרבה יותר. אנחנו מאפשרים לחברות שבמאגד קצת לחכות עם הריצה המטורפת למטה וגם לחסוך הרבה כסף על הדרך. 

"איך? אם למשל צריך מחשב שיעבוד יותר מהר כדי שיוכל לבצע חישוב מהיר יותר מבעבר, אחת האפשרויות היא ללכת מ-28 ל-16 ננומטר - אז נקבל פי שניים יותר טרנזיסטורים וטכנולוגיית עיבוד מהירה יותר. כלומר, על שטח שבו שמתי בעבר 100 טרנזיסטורים אפשר עכשיו לשים 200. רק שהעלויות במעבר כזה מרקיעות שחקים ולא כל חברה יכולה להרשות לעצמה את המהלך. 

"אמרנו שבמקום ללכת לטכנולוגיה מתקדמת יותר אולי אנחנו יכולים לשנות את אופן החישוב, כך שהוא יהיה יעיל ומהיר יותר למרות שמדובר באותה טכנולוגיית ייצור שבה השתמשנו קודם. אנחנו בעצם משפרים את תהליך החישוב – וכך מקבלים שיפורים גדולים בביצועים, בשטח הרכיב ובהספק בנדרש, גם בלי לעבור לטכנולוגיית ייצור חדשה. 

"זה בדיוק מה שהמאגד עושה - שיפור ביצועים בלי לעבור לטכנולוגיית ייצור חדשה יותר אלא על ידי ייעול האלגוריתמים בהרבה מקרים ושימוש בטכנולוגיות פורצות דרך. דוגמה טובה היא טכנולוגיה בשם Dual Mode Logic) DML) שהומצאה על ידי פרופ' אלכס פיש מבר-אילן, ופותחה במאגד. זאת טכנולוגיה שמאפשרת ביצועים טובים יותר תוך שמירה על שטח הסיליקון וחיסכון באנרגיה. 

 

נגד כל הסיכויים והסיכונים

אחד מהישגי המאגד הוא הקמת המעבדה הייחודית של פרופ' אלכס פיש באוניברסיטת בר-אילן. פרופ' פיש מתאר את השתלשלות העניינים כך: "תעשיית המוליכים למחצה היתה תעשיית הדגל של ההיי-טק הישראלי במשך הרבה שנים – עד כדי כך שאנחנו לוקחים כמובן מאליו שיש במדינה נוכחות של כל החברות הרב-לאומיות החשובות ומרכזי פיתוח של חברות כגון אפל ואינטל.

"בשנים האחרונות, האתגר של התעשייה המפוארת ושופעת הידע היה להקים סטארט-אפים בבעלות ישראלית, כדי שהיא לא תהיה תלויה רק בחברות זרות.

"ככל שהטכנולוגיה מתקדמת - היום אנחנו כבר מדברים על ייצור המוני בטכנולוגיות 7 ננומטר ומטה - המורכבות של תכנון שבבים הולכת וגדלה. זה מצריך המון ידע, מאמץ וכוח אדם – ועלויות הייצור הגיעו לעשרות מיליונים. התוצאה היא שגם יש פחות סטארט-אפים וגם החברות הקיימות צריכות להתמודד ראש בראש עם חברות גלובליות בעלות משאבים כמעט אינסופיים. לכן המפתח הוא להיות סופר יצירתי וחדשני. 

"כאן נכנסה לתמונה רשות החדשנות, שרואה חשיבות רבה בתחום פיתוח השבבים ומנסה לזהות את האתגרים הכרוכים בו. הרשות הקימה שלושה מאגדים בזה אחר זה שעוסקים בתחום. הדרישה ממאגד הייפר היתה ברורה: יש צורך בחדשנות גבוהה במיוחד. בלעדיה קשה יהיה לתעשייה הישראלית להתמודד מול זו העולמית.

"המצב שתיארתי בעולם בתעשיית המוליכים למחצה מציב לאקדמיה אתגר עצום בדמות מאמץ הנדסי שהיא לא יכולה להרשות לעצמה. יש רק קבוצות אקדמיות מעטות בעולם שמסוגלות לתכנן שבבים בסדר הגודל של חברות המסחריות מובילות.

"בהייפר החלטנו מראש לבנות מעבדת SOC שתאפשר לנו להתמודד עם מורכבויות וסיבוכים. מעבדת SOC הוקמה כחלק ממעבדות EnICS בפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר אילן. מעבדות EnICS פועלות לפי מודל מיוחד שלפיו ישנו שיתוף פעולה הדוק ביותר בין ארבע קבוצות אקדמיות: כל התשתיות של הקבוצות משותפות, הציוד שייך לכולם וכל הסטודנטים יושבים באותה מעבדה ללא הפרדה והכל של כולם. גם ההחלטות הכספיות של הקבוצות לגבי קניית ציוד וניהול תקציב משותפות לחלוטין, והן מתקבלות בהסכמה מלאה וביעילות. מעבדת SOC החדשה הוקמה כתשתית משותפת של חוקרי EnICS במטרה מיידית לקדם את מאגד הייפר. 

"המטרה היתה להביא למעבדת SOC צוות מנוסה של מהנדסים שאינם סטודנטים מתחלפים. כלומר, מהנדסים מנוסים שמאפשרים לגשר בין הרעיונות לביצוע בפועל. זה צוות מקצועי שיודע לתכנן שבבים בטכנולוגיות מתקדמות מאוד". 

"מאגד הייפר לימד אותנו עד כמה הרחבת המנדט של הרשות לתחומי עיסוק נוספים יכול למנף את התעשייה הישראלית, מסביר משה אברהמי, מנהל סקטור תעשייה בזירת תשתיות טכנולוגיות. "המחסור בכוח אדם איכותי בתכנון השבבים הינו דוגמה למצוקה שנחשפה לנו בזכות אותם חוקרים באקדמיה. עובדים מיומנים אלה הוכשרו תוך כדי הפיתוח והתעשייה עטה עליהם. בימים אלה אנו משלימים תכנית להכשרת כח אדם איכותי במהלך ובמסגרת מאגדי מגנ"ט על מנת לתת מענה לצורך זה"

"בזכות העובדה שמדובר בצוות של מומחים שלא מתחלף ללא הרף, גם הידע נשאר. הצלחנו להביא אנשים בעלי ניסיון אדיר ששמם הולך לפניהם. אחרים 'גידלנו' בעצמנו. כולם עובדים אצלנו במשרה מלאה וזה מאפשר לנו לעשות דברים לא סטנדרטיים שאף קבוצה אקדמית לא יכולה לעשות. מדובר בעלויות גבוהות במיוחד ולכן אי אפשר היה להקים את הפרויקט הזה בלי רשות החדשנות. הם האמינו ברעיון ובחלומות שלנו נגד כל הסיכויים והסיכונים - וזה לא טריוויאלי בכלל.

"המעבדה מרכזת את הפעילות של כל המאגד. אנחנו לוקחים את הטכנולוגיות הכי מעניינות המפותחות במסגרת המאגד בצוותים האקדמיים והתעשייתיים – ומכניסים אותן למדגים טכנולוגי. כלומר, שבב שהוא סוג של פלטפורמה שמנוהלת על ידי המעבדה המרכזית. 

"המטרה היא לפתח טכנולוגיות גנריות המוכוונות לביצועים גבוהים ולהרוויח שיפור ביצועים, יעילות בתכנון וכך הלאה. טכנולוגיות גנריות אלו שפיתחנו אינן בעלות ייעוד ספציפי – הן יכולות לשמש לצרכים מגוונים את כל החברות במאגד", מדגיש פרופ' פיש, "כלומר, נוכחותו של גוף אחד מרכזי מאפשרת להתגבר על הצורך של כל חברה לעבוד בנפרד על משהו שעונה רק על הצרכים שלה. הגוף הזה אומר: 'חברים, פיתחנו עכשיו 5-4 טכנולוגיות מאוד מעניינות. אנחנו ניקח את הטכנולוגיה הזאת ונדגים אותה בשבב מורכב גנרי'. לדעתי, זה לא היה יכול לקרות ללא רשות החדשנות - גוף מרכזי נייטרלי וחסר אינטרסים עסקיים המתמקד בקידום הידע והמדע.

"בתחילת הפעילות של המאגד גייסנו מהנדסים צעירים שעברו הכשרה ובעזרת חברת סרגון, הלוקחת חלק במאגד, הוצאנו את המדגים הראשון - שבב ניסויים שמוכיח את היכולות הטכנולוגיות החדשניות שפותחו.

"כעת, בשיתוף פעולה של כל חברי המאגד, תוכנן מדגים שני של המאגד בטכנולוגיה מתקדמת מאוד של 16 ננומטר, ויושבות עליו כמה טכנולוגיות מאוד מעניינות שפותחו במאגד. לתכנון והביצוע מא' ועד ת' אחראית המעבדה. המדגים הזה מציב אותנו במקום אחר לחלוטין מאשר בתחילת המאגד - כגוף מקצועי גם מבחינת הידע, כוח האדם והיכולת.

"מה הלאה? הרשות הקימה עכשיו מאגד חדש בשם GenPro שמטרתו לפתח מעבד כחול-לבן המבוסס על טכנולוגיית RISC-V. גם במאגד הזה המעבדה שלנו אחראית על הארכיטקטורה של אחד המעבדים, על תיאום שיתופי פעולה ועל תכנון המדגים. כאשר המאגד יסתיים המעבדה תהווה מרכז ידע שיוכל לתת סיוע למעבדות אחרות ולתעשייה הישראלית".

 

מחברים את הלגו ביחד

במאגד הייפר לקחה חלק חברת מלאנוקס, המייצרת שבבים לתקשורת בפרוטוקול ייחודי. אלעד מנטוביץ, מהנדס פיתוח בכיר בחברה, מונה ארבעה יתרונות גדולים של עבודה במסגרת של מאגד:

"היתרון הראשון הוא האפשרות לחבר יחד חברות שונות שתורמות ידע וכישורים ולא מתחרות ביניהן כי הן בשווקים שונים. 

"היתרון השני הוא בהקמתה של המעבדה הלאומית בבר-אילן כנקודת המוקד של כל החברות השונות ומקום מפגש משותף. בצורה כזאת החברות עובדות ביחד סביב מעבדה אחת שלוקחת ידע מכל אחת ובונה משהו יותר טוב ממה שכל חברה היתה יכולה לעשות בנפרד. כלומר, לממש את הפוטנציאל האמיתי של היכולות של כולן.

"היתרון השלישי הוא שמדובר בפלטפורמה מעולה לבדיקת טכנולוגיות חדשות. מאוד יקר לבנות טכנולוגיה חדשה, וכשזה נעשה בשיתוף פעולה עם המדינה אפשר ליצור טכנולוגיות שאולי ישמשו אותי רק בעוד שלוש או חמש שנים.

"היתרון הרביעי הוא היכולת להוסיף פונקציונליות בתוך השבב העכשווי של החברה, מה שחוסך ממנה להשקיע הון גדול ברכישת טכנולוגיה יקרה. 

"המאגד הצטרף לטרנד העולמי של פיתוח מערכת שלמה 'על שבב'", מסביר מנטוביץ. "המטרה היתה לעשות שבב אמיתי, פונקציונלי וניתן לשימוש, השבב המתקדם הראשון שהאקדמיה מוציאה. בתוך הטכנולוגיות החדשות יש כמה אתגרים שהגדרנו יחד כמאגד: צורות חדשות של לוגיקה, סוגים שונים של זיכרונות, שיטות חדשות להאיץ חומרה בתוך השבב וקשר בין חומרה ותוכנה שיהיה יותר גנרי ופשוט.

"אפשר להסתכל על השבב כמו על פיסת לגו - כשכל אחד מהשותפים מנסה להכניס את הפיסה שלו כך שתתחבר עם האחרות. כלומר, כל אחד מפתח בלוק בתוך השבב הגדול ואת האינטגרציה בין כולם עושה המעבדה בבר-אילן. 

"כל התפיסה היא שאם הצלחנו לעשות דבר כזה וליצור שיתוף פעולה בין האקדמיה לתעשיות, אז אם אתה סטארט-אפ שרוצה לא לבנות את כל הלגו מחדש מנקודת האפס, אלא רק להוסיף את הערך שלך - קל לך מאוד להתחיל מכאן. 

"המאגד מוצלח מאוד. אף אחד לא האמין שנצליח להוציא שבב ראשון והצלחנו. ועכשיו גם יש שבב ראשון שעובד וגם הראינו טכנולוגיות חדשות ועכשיו השאיפה לעשות אינטגרציה של הכל ביחד.

"אם פעם היתה תפיסה שאין שום סיכוי למאגד כזה, כי הוא מאוד מסוכן וקשה – הוכחנו שזה דווקא מצוין וששבב לא חייב להיות בהכרח עבודה מאומצת של חברה אחת, אלא שיתוף פעולה עם האקדמיה. ועכשיו למעבדה יש זכות קיום עצמאית״.