Achter de schermen bij Intel

Introductie

Intel staat vooral bekend om zijn processors, maar het bedrijf met ongeveer tachtigduizend werknemers en een jaaromzet van 35 miljard dollar doet veel meer dan alleen cpu's bouwen. De chipgigant bouwt naast processors ook flashgeheugen, zoals het succes op de ssd-markt met de Postvilles aantoont. Verder staat het bedrijf bekend om zijn chipsets en netwerkproducten.

Het bedrijf heeft wereldwijd een netwerk van onderzoekslaboratoria en werkt samen met een groot aantal universiteiten en onderzoeksinstituten. Van de ongeveer dertig r&d-faciliteiten van Intel bevinden er zich negentien in Europa; de overige staan voor het grootste deel in de Verenigde Staten.

Met een r&d-budget van miljarden dollars werkt het bedrijf aan talloze projecten, zowel voor de lange als kortere termijn. Tweakers.net mocht een kijkje in de keuken nemen en bezocht onder meer het Nederlandse distributiecentrum, research-demonstraties en enkele laboratoria.

Gezondheid en energie

Intel werkt in zijn laboratoria aan uiteenlopende onderzoeken, van medische toepassingen tot autotechniek en domotica. Met name medische toepassingen krijgen veel aandacht, mede met het oog op de toenemende vergrijzing van de bevolking van westerse landen. Daarbij werkt het bedrijf samen met diverse medische instituten en ontwikkelaars van medische apparatuur. Behalve aan rekentuig voor beeldverwerking, zoals bij tomografie en realtime analyse van echoscopische beelden, werkt Intel ook aan draagbare apparatuur voor persoonlijk gebruik.

Een van die apparaten is de Intel Reader, een kastje dat ouderen en slechtzienden moet helpen langer zelfstandig te wonen. De Reader helpt hen bij het lezen met een camera en text-to-speech-software.

Ook medische gegevens, zoals bloeddruk en andere gezondheidsindicatoren, worden verzameld, veelal door apparatuur met Intels nieuwste generatie Atom-processors aan boord. Intel ging daartoe onder meer een samenwerkingsverband met General Electric aan, dat zich met 'telehealth' en zelfstandig wonen bezighoudt.

Een ander apparaat, de Shimmer, is een sensor die het loopritme van ouderen analyseert. Afwijkingen in dat ritme zijn indicatoren voor valrisico: vallen is bij ouderen een van de drie hoofdoorzaken van letsel. Het herkennen van dergelijke afwijkingen en het corrigeren ervan kan zulk letsel voorkomen.

Ook energiebeheer staat hoog op de agenda van Intel. Een veelgehoorde uitspraak binnen het bedrijf luidt: "Ict is verantwoordelijk voor 5 procent van het wereldwijde energieverbruik, maar kan de overige 95 procent drastisch verminderen."

Een van de technieken die daar op korte termijn al aan zou moeten bijdragen, is een intelligenter beheer van energie in gebouwen. Voor eengezinswoningen werd het Home Dashboard ontwikkeld: een prototype van een slimme energiemeter die met sensoren kan registreren welke apparaten zijn ingeschakeld. Bepaalde activiteiten, zoals wassen of drogen, kunnen in de laagtarief-periodes worden ingepland met een op pictogrammen gebaseerd besturingssysteem op een centraal touchscreen. Op dat touchscreen kunnen ook andere domotica-handelingen worden uitgevoerd en kan via tekst- of videoberichten met andere gezinsleden worden gecommuniceerd.

De elektrische auto moet de komende tijd eveneens op grote schaal zijn intrede doen, en daartoe werkt Intel aan de benodigde infrastructuur. Dit najaar kondigde het bedrijf nog een samenwerking met GM aan om in Ierland een distributienetwerk voor elektriciteit ten behoeve van elektrische auto's op te zetten. Zo werd er een intelligent energiedistributiesysteem voor huizenblokken ontwikkeld, dat het hoofd kan bieden aan de wissel die het laden van elektrische auto's op het netwerk trekt. Het systeem verdeelt de laadcapaciteit van het netwerk gedurende de nacht over verschillende autolaadpunten, zodat er geen pieken ontstaan die het elektriciteitsnetwerk kunnen overbelasten.

Augmented reality en datastromen

Waar computers vroeger een zeer beperkte rol speelden in het dagelijks leven, zijn ze inmiddels niet meer uit het dagelijks leven weg te denken. In vrijwel alles zit tegenwoordig een silicium brein, van smartphones tot televisies en van auto's tot kantoorgebouwen. Dat zal in de toekomst alleen maar meer worden, en ook de manier waarop we met computers omgaan zal veranderen. De behoefte aan bandbreedte, aanbod en structurering van data neemt daarmee alleen maar toe.

Een van de letterlijk meest zichtbare toepassingen van computers is in de reclame-industrie, en dan met name in de zogeheten 'digital signage'-tak. Het gebruik van interactieve elektronische reclameborden neemt hand over hand toe en voor de interactie en intelligentie zijn processors nodig. De komende vijf jaar rekent Intel op een vertienvoudiging van het aantal intelligente reclamedisplays: computers voorzien de schermen van gezichts- en gebarenherkenning en stemmen de aangeboden reclame af op de persoon die door de camera wordt waargenomen.

Mobiele telefoons zijn eveneens een dankbaar platform voor de Intel-engineers: dankzij de camera, het kleurendisplay en de internetverbinding van smartphones lenen deze zich uitstekend voor augmented-realitytoepassingen. Zo kan een mobieltje gebruikt worden om een gebruiker stap voor stap door een reparatie van een computer te leiden. Door instructies op het beeldscherm te tonen, kan een gebruiker precies zien welke handelingen uitgevoerd moeten worden om bijvoorbeeld geheugen te vervangen.

Een andere toepassing van augmented reality is het ontwerpen en verkopen van producten. Een kleurloos schaalmodel van bijvoorbeeld een auto vormt een tastbaar object, waardoor ontwerpers en potentiële kopers een driedimensionale weergave van de auto kunnen zien. Door bijvoorbeeld verschillende kleuren op de auto te projecteren, kan interactief bekeken worden welke kleurcombinaties in de smaak vallen.

Bij een project dat 'Oasis' genoemd wordt, kan elk willekeurig oppervlak in een 'smart computing surface' worden veranderd. Camera's registreren wat op het oppervlak gelegd wordt en volgen hand- en vingerbewegingen. Op een keukenblad kunnen zo bijvoorbeeld ingrediënten worden neergelegd, waarna de computer recepten suggereert. Het gebruik van stereoscopische camera's om handelingen en objecten te herkennen, is een relatief eenvoudige en goedkope manier om objectmanipulatie vast te leggen. De verzamelde data kan vervolgens verwerkt worden en met een display of projectoren kan aan de hand daarvan een interactieve omgeving worden gecreëerd.

Al die data moet niet alleen door computers worden verwerkt, maar ook georganiseerd, verstuurd en opgeslagen worden. Een consument heeft al gigabytes aan foto's dankzij digitale camera's met steeds meer megapixels, bedrijven hebben gigantische databases met steeds meer gegevens over hun klanten. Medici beschikken over steeds geavanceerdere technieken om patiënten in beeld te brengen en onderzoekers genereren exabytes aan data. Al die data is niet alleen steeds moeilijker te beheren en op te slaan, maar biedt ook kansen. Zo kunnen steeds gedetailleerdere simulaties van bijvoorbeeld een eiwit of gen worden gemaakt, en kunnen nieuwe inzichten verworven worden op basis van steeds fijnmaziger gegevens.

Photonics

In een onderzoekslab in Santa Clara in het Amerikaanse Californië richt Intel zich op de ontwikkeling van silicon photonics. Daarbij gaat het om de integratie van optische communicatie met silicium chips: lasers en lichtbronnen worden veelal nog gescheiden van de signaalverwerkende logica geproduceerd, maar met silicon photonics worden ze bijeen gebracht. Dat levert niet alleen goedkopere chips op dankzij vereenvoudigde productie, maar ook de signaalverwerking zou dankzij het wegvallen van tussenstappen en vertaalslagen sneller verlopen.

De huidige optische verbindingen, waarbij de optica en logica gescheiden zijn, zijn duur: door de componenten te integreren zouden de kosten drastisch verlaagd worden. Hoge datasnelheden via elektrische verbindingen zijn lastig te realiseren en gebruiken bovendien veel energie, wat weer voor een hoge warmteproductie zorgt.

In het Photonics Lab is Mario Paniccia met zijn team verantwoordelijk voor de ontwikkeling van een geïntegreerde silicon-photonics-chip, waarmee bitrates tot 50Gbps kunnen worden behaald. De laser, de modulator, de waveguides en de multiplexer van de zender zijn geïntegreerd in een enkele chip en ook de ontvanger, met coupler, demultiplexer en photodetectors, is geïntegreerd.

Silicon Photonics

Bij de eerste prototypes van deze optische chips gebruikt Intel vierkanaals zenders, waarbij elk kanaal een laser van een iets andere golflengte heeft. Het laserlicht wordt via waveguides, oftewel in silicium geëtste kanalen die het licht geleiden, naar de modulator en vervolgens naar de multiplexer gebracht. Daarvandaan wordt het licht via een optische kabel verstuurd, waarna de demultiplexers in de ontvanger het licht weer ontwarren en de vier golflengtes naar fotodetectors sturen. Ieder kanaal kan op deze manier 12,5Gbps aan data versturen.

Light Peak module

Met 50Gbps is het plafond niet bereikt: door de chips van meer kanalen te voorzien, wordt meer bandbreedte beschikbaar gemaakt, en bovendien kan de bandbreedte van de zenders vergroot worden. Laboratorium-prototypes halen inmiddels al 40Gbps per kanaal. Volgens Intel zou de techniek binnen drie tot vijf jaar commercieel inzetbaar zijn.

Light Peak connectors

Chipproductie

Intel ontwikkelt uiteraard niet alleen technologieën die pas in een verre toekomst ingezet kunnen worden. Het bedrijf staat vooral bekend om zijn chipproductie, en innovatie op dit gebied is dan ook belangrijk. Intel doet dat onder meer met schaalverkleining en slimmere technieken. Een van die slimme technieken wordt 'resilient computing' genoemd.

Het doel is hierbij om de kwetsbaarheid van processors te reduceren en tegelijk de prestaties te verbeteren. Gedurende hun levensduur zullen processors, en dan uiteraard met name de transistors, onderhevig zijn aan allerhande invloeden van buitenaf die de werking beïnvloeden. Zo zijn de omgevingstemperatuur en de werkspanning variabel, maar ook de leeftijd van de transistor heeft invloed op zijn eigenschappen. Bij het ontwerp moet met al die factoren rekening worden gehouden en moeten veilige marges aangehouden worden waarbinnen de transistors kunnen werken.

Resilient processing neemt die marges weg en zoekt de uitersten op: zo kunnen de transistors op hun grensgebieden functioneren. Een transistor schakelt zo bijvoorbeeld net boven zijn zogeheten drempelspanning, waardoor minder energie nodig is. Wanneer toch een foutje wordt gedetecteerd als de grenzen overschreden zijn, wordt de code opnieuw uitgevoerd. Dat zou moeten leiden tot processors die enerzijds met minder energie toekunnen omdat hun transistors op hun drempelspanning opereren, terwijl anderzijds de grenzen van hun kunnen opgezocht kan worden dankzij het wegnemen van de veiligheidsmarges.

Volgens Wen-Henn Wang van Intels Circuits and Systems Research kan dat tot ruim veertig procent snelheidswinst of ruim twintig procent energiebesparing leiden. Een prototype van een dergelijke processor, gebouwd met 45nm-procestechnologie, kan zijn werking bovendien aanpassen aan de omstandigheden om optimaal van de geboden werkspanning te profiteren en flexibel op andere variabelen als temperatuur in te spelen.

De x86-chipproductie bij Intel volgt al jaren het zogeheten tick-tock-model: deze tweetrapsmethode kent een cyclus van ongeveer twee jaar. Bij de 'tock' wordt een nieuwe processorarchitectuur ontwikkeld, die in de 'tick'-stap naar een kleiner procedé wordt geschaald. Zo was de Core i-serie een nieuwe architectuur op hetzelfde 45nm-procedé als de Core 2-Nehalems. De laatste tick was de schaalverkleining in de vorm van de 32nm-Westmere-processors, en met de aanstaande Sandy Bridge-processors zien we weer een nieuwe architectuur: tock.

De volgende tick, met codenaam Ivy Bridge, zal naar verwachting weer een jaar later volgen, met de Sandy Bridge-architectuur, maar dan verkleind naar 22nm. Dan moet er nog een nieuwe architectuur op 22nm geproduceerd worden, maar wat daarna komt, is steeds lastiger te realiseren. Intel heeft weliswaar al plannen voor de productie van processors op 15nm, maar de volgende 'nodes' zijn nog niet uitgekristalliseerd.

De 11nm- en 8nm-nodes zijn gepland voor respectievelijk 2015 en 2017, maar de technieken die daarvoor gebruikt zullen worden, zijn nog niet uitontwikkeld en daarover ligt dus ook nog niets vast. Voor de 11nm- en 8nm-generatie wordt onder meer gewerkt met zogeheten III-V-materialen; deze halfgeleiderlegeringen zijn vernoemd naar hun plaats in het periodiek systeem. Ook de inzetbaarheid van koolstofnanobuizen en grafeen en meer exotische technieken als spintronics en quantumcomputing worden onderzocht.

Single chip cloud computing

In de Duitse stad Braunschweig wordt door Intel aan many-core computing gewerkt. De onderzoekers werken daar aan de volgende generatie processors die niet met twee, vier of acht cores werken, zoals de courante multicore-cpu's: in plaats daarvan wordt aan processors met tientallen cores gewerkt.

Tijdens de ontwikkeling worden de chips niet meteen in silicium geproduceerd: dat zou te duur zijn en bovendien te lang duren. In plaats daarvan worden processors eerst softwarematig gemaakt: daarvoor worden mc-boxes gebruikt die ontwerpen met behulp van twaalf fpga's kunnen emuleren. Een stapje verder worden de processors nagemaakt in zogenoemde Brocken-towers: experimentele, fpga-gebaseerde, emulators. Pas wanneer een ontwerp potentie toont, wordt een silicium wafer gebakken.

Een van de eerste resultaten die naar buiten werd gebracht was de zogeheten single chip cloud computer, een chip met de codenaam Rock Creek. Deze processor bestaat uit 24 zogeheten tiles met elk twee cores. Alle tiles zijn voorzien van routers met 256GBps bandbreedte, die de cores als een meshnetwerk met elkaar verbinden. Door die interne 'netwerkarchitectuur' spreken de Intel-onderzoekers van een cloud computer op een enkele chip: de manier waarop de cores met elkaar communiceren is verwant aan een ad-hoc netwerk-structuur.

Voor de chips zijn de zogenoemde Copper Ridge-moederborden ontwikkeld. Deze borden beschikken over acht geheugenslots en onboard video; een usb-drive dient als opslagmedium voor het besturingssysteem. Intel demonstreerde twee systemen die met elkaar over een fiber-verbinding communiceerden. De manycore-processors zijn bij uitstek geschikt voor schaalvergroting, aldus Intel: in de toekomst zouden versies met duizenden cores mogelijk zijn.

Een van de grootste uitdagingen voor de ontwikkeling van een processor met zo veel cores is de aansturing, het efficiënte gebruik van de cores en het energiemanagement. Bij quad- en hexacores is dat al lastig: veel applicaties schalen slecht op naar meer dan een of twee threads. Het schrijven van software en het verdelen van werk over veel meer cores is nog ettelijke malen moeilijker, reden voor Intel om de sccc-chip vooral aan onderzoeksinstituten en universiteiten te leveren.

Die instellingen kunnen de chip gebruiken voor de ontwikkeling van software en besturingssystemen die met zoveel processorcores kunnen omgaan. De ETH, een technische universiteit in Zürich, heeft al het opensourcebesturingssysteem Barrelfish voor de scc ontwikkeld.

Barrelfish

Het energiebeheer wordt door de 48-koppige chips zelf geregeld: afhankelijk van de belasting kunnen de cores worden teruggeklokt, waarbij ook hun werkspanning verlaagd wordt. Dat leidt tot een opgenomen vermogen van tussen de 25 en 125W, afhankelijk van de belasting.

Intels distributiecentrum

Intels distributiecentrum voor Europa, Afrika en het Midden-Oosten staat in het Nederlandse Schiphol-Rijk. Hier zijn de processors opgeslagen die wachten op transport naar het servicegebied van het distributiecentrum: Europa, Afrika en het Midden-Oosten. En de rekken zijn even talrijk als groot. There are fields, Neo, endless fields...

Een enorme ruimte vol processors

Vanuit het airconditioned magazijn - de deuren mogen in verband met de beveiliging niet open, dus om het 's zomers leefbaar te houden dient de loods gekoeld te worden - worden wekelijks vele miljoenen chips naar bestemmingen in het EMEA-gebied gestuurd.

Het magazijn bestaat naast de opslag uit nog drie delen. Allereerst is er de rma-lijn, waar defecte processors en andere producten belanden die niet aan de specificaties van klanten voldoen. Een verkeerd serienummer kan al voldoende zijn om een zending terug te sturen.

De rma-lijn van het warehouse

Het tweede gebied is het inpakgedeelte: hier worden processors verzendklaar gemaakt. Opvallend is daarbij dat op de door Intel verzonden dozen en pallets nergens een Intel-logo staat, om diefstal tijdens het vervoer te voorkomen. In het inpakgedeelte wachten de processors op vrachtwagen of vliegtuig om ze naar hun bestemming te vervoeren.

De verpakkingslijn van het distributiecentrum

Het laatste deel van het distributiecentrum wordt gevormd door het zogenoemde X-Dock of cross dock: feitelijk is dit niet meer dan een overslaggedeelte, waar binnenkomende goederen direct worden doorgestuurd naar hun bestemming: de inventaris en de daarmee gemoeide kosten blijven dan laag. Intel is in staat processors binnen een dag of zelfs binnen enkele uren uit te leveren: afhankelijk van de bestemming kan de bestelling dan nog dezelfde of de volgende dag bij een oem of odm afgeleverd worden.

Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.

Beveiliging krijgt grote aandacht op het centrum. De dankzij de airconditioning ook op warme dagen gesloten deuren vormen slechts een van de vele strenge veiligheidsmaatregelen die de inhoud van het Intel-pakhuis moeten beschermen. Het complex is geheel omheind en kan alleen betreden worden na goedkeuring door de aanwezige beveiligingsmedewerkers. Naast de zichtbare en onzichtbare camera's zijn er nog tal van andere beveiligingsmaatregelen, waarvan Intel de details begrijpelijkerwijs niet prijsgeeft.

Een zeer zichtbare maatregel is wel de scan van medewerkers en bezoekers: wie de magazijnvloer opgaat, wordt bij het verlaten van het pakhuis uitgebreid doorgelicht. Tassen en andere bezittingen worden net als op het vliegveld met een scanner gecontroleerd; de eigenaar moet door een detectiepoortje en wordt ook nog eens met een handscanner op 'Intel Inside' gecontroleerd. Pas dan kan het pand verlaten worden.

Pakketten klaar voor verzending

Niet alleen de processors binnen het distributiecentrum worden beveiligd: ook de veiligheid van de medewerkers wordt op alle mogelijke manieren afgedwongen. Zo mag niemand het pakhuis in zonder reflecterend hesje en veiligheidsschoenen; bij deuren staat aangegeven waar medewerkers kunnen wachten zonder dat ze door een openzwaaiende deur worden geraakt en bij trappen wordt zelfs gewaarschuwd dat je maar beter een hand op de leuning kan houden.

Al deze maatregelen, adviezen en richtlijnen lijken overdreven en doen nogal Amerikaans aan, maar blijken niet voor niets: het distributiecentrum van Intel werd in 2007 tot het veiligste magazijn van Nederland uitgeroepen.