Tänavu möödub 80 aastat maailma esimese elektronarvuti tööle hakkamisest, milleks oli 1943. aastal Suurbritannias valminud Colossus, loodud Teise maailmasõja ajal ülisalajase projektina sakslaste sõnumikoodi lahtimuukimiseks. Inglaste jõupingutused sakslaste šifreeritud koodide murdmiseks tegi tuntuks suurepärane ekraniseering „Imiteerimismäng“,1 kus Benedict Cumberbatch mängib toonast geeniust Alan Turingit. Colossus jäi salastatuks viiekümneks aastaks. Seetõttu teadis avalikkus kuni 1993. aastani, et maailma esimene arvuti loodi hoopis ameeriklaste poolt. Samal aastal, mil Colossus tööle hakkas, alustasid ameeriklased oma esimese arvuti loomist, arvuti valmis 1946 ja kandis nimetust ENIAC.
See on siiski eelajalugu, sammukese lähemale tänapäevaste arvutite ajaloo algusele viib kolme mehe leiutis 1947. aastast, mida praeguseni kutsutakse transistoriks. William Shockley, John Bardeen ja Walter Brattain said selle eest 1956. aastal ka Nobeli füüsika auhinna.2
Tulles tänapäeva, siis praegune tehnoloogiline progress ja üldisemalt majanduskasv ei oleks mõeldav ilma pooljuhtide, mikrokiipide ja neis kasutatavate transistorideta. Tallinna Tehnikaülikooli arvutisüsteemide instituudi professor Jaan Raik on ühes varasemas populaarteaduslikus käsitluses võrrelnud kiipe „nähtamatute hiiglastega“.3 See on äärmiselt tabav võrdlus! Me kõik tahame liikuda lennuki, rongi, bussi või autoga probleemivabalt punktist A punkti B. Me soovime, et kogu meie mugavust tagav kodutehnika alates röstrist ja tolmuimejast ning lõpetades külmkapi ja televiisoriga töötaks laitmatult. Loomulikult tahame kõik, et nutiseade, meie individuaalne meedia- ja kommunikatsioonikeskus, oleks võimalikult võimekas ja funktsionaalne. Rääkimata satelliitidest, mis tagavad globaalse side, ja uutest raketitehnoloogiatest kosmose vallutamiseks. Kõik see on võimalik ainult tänu kiipidele. Kiibid on silma eest peidus, füüsiline kokkupuude nendega on olematu, kuid need varjatud ja vaiksed „hiiglased“ tagavad kogu maailma toimimise.
Alustuseks pisuke ülevaade terminoloogiast. Mis need pooljuhtseadmed ja kiibid on? Kas need terminid on sünonüümid?
Pooljuhtseadmed on elektroonikakomponendid, mis põhinevad pooljuhtmaterjalidel. Kiip on teatud liiki keeruline pooljuhtseade. Nagu imepisike arvuti, mis koosneb pooljuhtplaadile paigutatud miniatuursetest lülititest. Tänapäeva kiipides on sellised lülitid äärmiselt mikroskoopilised ja nende arv võib ulatuda sadade miljarditeni.
Kiip on juba vana leiutis. Esimese töötava kiibi lõi Ameerika sõjaväe tarbeks Jack Kilby 65 aastat tagasi. 1959. aastal ehk aasta hiljem töötas tema kaasmaalane Robert Noyce välja monoliitse kiibitehnoloogia, mis on kasutusel tänapäevani. Samal ajal ei ole kiibitehnoloogia sugugi staatiline, vaid toimub tormiline pidev areng. Kogu oma ajaloo jooksul on kiipide täiustumine järginud nn Moore’i seadust, mille järgi iga pooleteist aasta järel nende keerukus kahekordistub. Vaherepliigina mainin, et Gordon Moore lahkus meie seast üsna hiljuti, 24. märtsil.
Tänapäeval võib ühe kiibi tillukesel pinnal olla kümneid miljardeid elektroonilisi lüliteid ehk transistore. Seda on rohkem kui inimesi sellel planeedil. Alates 2000. aastate algusest pole füüsikaliste piiride (võimsustarve, temperatuur) tõttu olnud enam võimalik protsessorite töösagedust suurendada. Seega oli ainus viis Moore’i seaduse taktis jätkata mitme protsessori ehk tuuma kasutamine samal kiibil. Seetõttu ongi praegu müügil olevates arvutites ja nutitelefonides aasta-aastalt üha rohkem tuumasid. Juba lähitulevikus tulevad kasutusele kiibid, millel on tuhandeid tuumasid. Paljutuumalised kiibid mõjutavad muu hulgas ka viisi, kuidas tulevikus arvutitele programme kirjutatakse.
See on pidevalt jätkuv plahvatuslik kasv ja selle taga on füüsikute, materjaliteadlaste, elektroonikute, inseneride jt tohutud jõupingutused, mis tehnoloogia arenedes kompavad pidevalt loodusseaduste piire.
Millest huvi kiipide vastu alguse sai?
Minu kokkupuude pooljuhtide maailma ja kiipidega algas täpselt 30 aasta eest, kui liitusin noore tudengina akadeemik Raimund Ubari vastloodud teaduslaboriga. Ubar oli tollal loonud euroraha toel moodsa ja täiesti maailmatasemel kiibidisaini keskkonna. Mul vajus suu lahti, kui ma nägin, kuidas minust vanemad ja kogenumad tollased magistrandid Jüri Põldre ja Ahto Buldas manasid arvutiekraanile tohutult keerulise rägastiku, mis kujutas nende projekteeritava krüptokiibi skeemi. Kas selline tegevus on Eestis aastal 1993 tõepoolest võimalik?! Sellega oli mu tulevane tegevusvaldkond otsustatud.
Pooljuht-tehnoloogiatega on Eestis tegeletud kauemgi, kui ma mäletan. Näiteks oli Tallinna Tehnikaülikooli elektroonikainstituudis professor Toomas Rangi juhitav uurimisgrupp, kes tegeles ränikarbiidi uurimisega. Neil oli isegi aparatuur pooljuhtseadmete valmistamiseks ja nad kutsusid seda progressi veduriks. Sellest varasemast perioodist tean vähe.
Tõenäoliselt on iga Sirbi lugeja kursis, et tänapäeva tehnoloogiad ei ole ilma pooljuhtideta võimalikud. Kuid kui tähtsad need ikkagi on?
Tõenäoliselt pole tänapäeval ühtki tehnoloogilist seadet, mis kiipe ei sisaldaks. Näiteks ühes autos on keskmiselt 1500 ja maksimaalselt kuni 3000 kiipi. Kiibid on pea kõigis olmeseadmetes, kaasa arvatud kallima otsa leivaröstrites. Väga raske on näiteid tuua mingitest uutest seadmetest, mis pooljuhtseadmeid ei sisalda. Ausalt öeldes ei tulegi ühtegi sellist kohe pähe. Võib-olla praegu isolatsiooni ja kaubandusembargo tingimustes Venemaal toodetud autod on ilma kiipideta?
Kiipide tähtsus ja tähendus on ülemaailmselt eriti esile tõusnud praeguses olukorras, kui neist on ootamatult puudus tekkinud. Seoses uute probleemidega nagu COVID, Ukraina sõda ja pinged Taiwani ümber, on üha enam kõneaineks kiibikriis. Ajakirjanduses on ekslikult loodud pilt, nagu peituks olukorra lahendus logistika parandamises või siis kiibivalmistamise seadmete sisseostmises. See on väärarusaam. Need kirjutajad ei saa aru kriisi olemusest ega sellest, kuidas ja miks selline olukord üldse tekkinud on.
Me oleme jõudnud seisu, kus valdav enamik maailma kiipidest valmistatakse Aasias, peamiselt Taiwanis. Kiibitootmise liikumine Euroopast ja Ameerikast välja oli tingitud kulude kokkuhoiu vajadusest ning konkurentsist tulenevalt kiipide valmistamise eri etappide spetsialiseerumisest. Nüüdseks on läänemaailmas aru saadud, et tegemist on strateegilise ressursiga ja kompetentsi kadumisega. Oleme olukorras, kus sõltume täielikult kolmandatest riikidest. On järjest süvenevaid märke, et Euroopa Liit ja USA on olukorra tõsidusest aru saanud.
Palun rääkige selle keerulise tööstuse tagamaadest.
Eestis on inimestel, isegi tehnoloogia- ning IT-ringkonnas, tihti väga lihtsustatud ja ekslik arusaam kiibitööstuse olemusest. Tihtilugu arvatakse, et kiip valmistatakse ideest tootmiseni samas ettevõttes. Tegelikult oli see nii peamiselt eelmisel aastatuhandel. On jäänud vaid kaks ettevõtet, kus pea kogu ahel toimib organisatsiooni siseselt: Intel ja Samsung. Kuid ka nemad vajavad teenuseid ja tooteid kolmandatelt osalistelt. Suurtel kiibifirmadel nagu AMD, Apple, NVIDIA, Qualcomm jt puudub üldse oma kiibitehas ja -tehnoloogia. Nende kiibid valmivad peamiselt Taiwani firma TSMC tehastes.
Kiibi valmimise võibki jagada kaheks peamiseks etapiks: projekteerimine (ehk disain) ja tootmine. Neist esimene sarnaneb tarkvaraarenduse ja programmeerimisega, kuid nõuab põhjalikke teadmisi tehnoloogiast ning riistvara kirjelduse keelte tundmist. Kui kiip on projekteeritud, siis on mitu võimalikku edasist sammu. Esiteks on kiibi kirjeldus ehk projekt ise intellektuaalomand (IO), mida saab müüa, litsentseerida vms. Sellise ärimudeli pioneer on näiteks Ühendkuningriigi ARM. Teine võimalus on kiip saata pärast disainimist tehasesse valmistamisele, kas või sinnasamma TSMCsse ja müüa seejärel juba valmiskiipe. Ka Eestil oleks just kiibiprojekteerimise ärivaldkonna käivitamisel suuri võimalusi ja eeliseid, aga keegi ei räägi Eestisse suurte kiibitehaste ehitamisest.
Tehas on seejuures teenusepakkuja. Kiibi projekteerija saadab tehasesse nn maski, mille ta loob spetsiaalse tarkvara abil automaatselt oma kiibiprojektist. Mask on nagu diapositiiv ehk slaid, millest läbi valgustatakse, et siis fotokeemilise protsessi abil ränipinnale erinevaid struktuure kasvatada. Maski valmistamine on ülimalt kallis, aga iga üksiku kiibi tootmise hind on tühine. Tegemist ju räniga! Liiva on kõikjal … Seega on uue kiibi loomine rentaabel ainult juhul, kui partiid on suured ja kiipide müügist tulev tulu maski hinna katab.
Kuivõrd standardiseeritud või vastupidi, valdkondlikult spetsiifilised kiibid on? Kas luuakse spetsiaalsed kiibid satelliitidele, autodele, nutiseadmetele jne või on kümned ja sajad standardiseeritud kiibid, mida siis vastavalt valdkonnale kohandatakse?
Siinkohal tahaksin välja tuua veel ühe väärarvamuse, millega ma siin Eestis kaunis tihti kokku puutun. Seda isegi erialaspetsialistide seas, kes peaksid mikroelektroonika olemusest ja trendidest justkui jagama. Tegelikkuses on aga arusaamad veel väga eelmise sajandi omad.
Vaadake, kui mõni Eesti kõrgtehnoloogiline iduettevõte, olgu see näiteks GScan, Starship, AuveTech või mõni meditsiinitehnoloogiat välja töötav firma, arendab oma tehnoloogiat, siis ainult teatud ulatuses saab ta seda arendada laiatarbekaubana kaubandusvõrgust saadavate kiipidega. Kui ta tahab näiteks mõne aasta pärast osta endale uut partiid, siis ei pruugi neid kiipe enam üldse olemas ollagi, sest tootja oli loobunud selle konkreetse kiibiperekonna tootmisest. Riskide vältimiseks ja selleks, et olla konkurentsivõimeline, peaksid tehnoloogia lõpptootjad projekteerima või tellima oma tegevusspetsiifikale vastava kiibi, just täpselt oma vajadustele vastava. Võib-olla esimeste prototüüpide ja arenduste jaoks saab leppida leti pealt ostetud kiipidel baseeruvate lahendustega, kuid tootmise jätkusuutlikuks laiendamiseks ei jätku seda pidu kauaks. Kui sul on mingi spetsiifiline sardsüsteem, milles on hästi spetsiifiline individuaalne IP-tehnoloogia, siis sa seda ikka poest kokku ostetud „klotsidest“ kokku ei pane. Jah, kordan üle, prototüübi ehk küll, aga mitte mastaapset tootmisahelat. Kardan, et kui siit Eestist juba maailma lennanud lõpptehnoloogia tootjate arusaamades loogikamuutust ei teki, siis on ainult aja küsimus, millal maailmas lagi ette tuleb ja nad hakkavad globaalses konkurentsis kaotama.
Hästi võtab eelmise jutu kokku kiibi ingliskeelne nimetus, mis on ASIC – application-specific integrated circuit (rakendusspetsiifiline integraallülitus), kusjuures rõhuasetus on sõnapaaril application-specific – rakendusspetsiifiline. Kui sul pole mingit spetsiifilist intelligentset tehnoloogiat, siis pole ka tarvis spetsiifilisi kiipe ja võid neid rahulikult poest osta. Kuid ma olen mõneti mures, kui vaatan neid tõesti ägedaid ja huvitavaid tehnoloogiaid, mida Eestis arendatakse, kas või heas mõttes „peale tungivaid“ tarku linnakeskkonna lahendusi ja paljut muud. Eestis on hästi kõrge innovatsiooni tase ja omaenda arendatud kiibilahenduste puudumine võib edasises arengus varsti osutuda tõsiseks takistuseks.
Kas kiipe tehakse ainult ränist (liivast) ja kas see nii jääbki?
Võib julgelt öelda, et räni on oma eluvõimet kuhjaga tõestanud ja valitseb jõudsalt edasi. Kunagi oli kiipe ka sellisest materjalist nagu gallium-arseniit, silikoon-karbiidist on räägitud ja võib-olla mõnest huvitavast innovatsioonist veel. Kuid veel kord: räni kohta on aastakümneid räägitud, kui halb kiibimaterjal see on, räni on kriitikaga suisa üle ujutatud. Kuid ta ikka töötab ja on ennast tõestanud. Võib-olla on siin põhjus selles, et loomulikult on pooljuhid suur arendus-rakendusteaduslik ehk insenerteaduslik valdkond, kuid see on ka väga suur ärivaldkond. Ärimaailm armastab lihtsust. Ehk on just räni lihtsas struktuuris tema võlu, mis tagab ellujäämise?
Milline on kiibitööstuse eripära võrreldes 10, 20, 30 aasta taguse ajaga?
Üks erinevus ongi selles, et aasta-aastalt jääb vähemaks firmasid, kes suudaksid ise kiipe toota. On toimunud turu konsolideerumine. See on toonud kaasa konkurentsi vähenemise. Sama trendi jätkudes saabub peatselt olukord, kus kiibitehased valmivad riikliku toega, see protsess juba käib ja ka ELi suurriigid jagavad miljarditesse ulatuvaid ettevõtlustoetusi kiibitehaste ehitamiseks. Sellele viitab ka möödunud aastal USAs ja ELis nn kiibiaktide vastuvõtmine, mis on mõeldud tohutu toetuspaketina tipptasemel kiibitehnoloogia tehaste rajamiseks nendesse regioonidesse.
Teine erinevus on keerukus ja miniatuursus. Kui mina teemaga kolm aastakümmet tagasi alustasin, rääkisime mikronistest mõõtmetest. Nüüd on jõutud nanomeetrini. See on tuhat korda väiksem suurus ja miljon korda väiksem pindala mõttes.
See arvuti, mis on meie töölaual või kodukontoris, on sama suure arvutusvõimsusega nagu maailma võimsaim superarvuti 20 aastat tagasi. Ainult et tarbib sadu tuhandeid kordi vähem elektrit, maksab mitte sadu miljoneid, vaid alla tuhande euro ja on võrreldamatult kergem ja pisem. Selline progress on toimunud peamiselt tänu kiibitehnoloogia peadpööritavale arengule.
Seega kiibimaailmas toimub äärmiselt kiire moraalne vananemine. Juba mõne aasta vanused kiibid ei suuda oma parameetritelt võistelda praegustega. Tehnoloogiad vahelduvad iga paari aasta tagant. Uus tehnoloogia tähendab sama hästi kui uue tehase ja täiesti uue tootmisliini ehitamist.
Pidevalt taotletakse järjest suuremat võimsust. Ja võimsust lausa kahes mõttes. Nii arvutusvõimsust kui ka kahjuks toorest võimsust vattides. Viimane on ka põhjuseks, miks kiipide töösagedus viimastel aastatel enam ei tõuse ja on jäänud mõne gigahertsi juurde toppama. Kiiremate sageduste korral kiip lihtsalt põleks ära. Seega pakitakse üha kiiremate protsessorite leiutamise asemel nüüd lihtsalt ühele kiibile aina rohkem, kuid vähem kiireid protsessorituumasid.
Mis puutub üha suurema arvutusvõimsuse mahutamist pinnaühikule, siis seda dikteerib Moore’i seadus, mis ütleb, et igal aastal saame sinna pakkida 58% rohkem lülitusi. See omakorda lubab kindla funktsionaalsuse hinda igal aastal 25–30% langetada. Just seetõttu jätkab pooljuhtseadmete turg kasvamist 15% aastas. See ongi alustala, mis kogu tehnoloogilist progressi veab.
Kas Eestis oleks oma kiibitööstus võimalik või on see ainult suurriikide pärusmaa?
Nagu ennist mainisin, siis kiibitehase rajamisel ma mõtet ei näe, see ei ole tõenäoliselt ka kapitalimahukuselt teostatav. Tööstusel, kus tegeletakse kiipide projekteerimise ja disainivahendite loomise teenustega, on kindlasti perspektiivi. Ütleksin, et see on lausa möödapääsmatu, kui Eesti tahab vähegi tehnoloogilise riigi mõõtu välja anda. Meie elektroonikaseadmeid ja -süsteeme tootvad ettevõtted ei saa olla konkurentsivõimelised, kui nad tuginevad ainult turul pakutavatele kiipidele. See ei oleks jätkusuutlik lahendus.
Mis puudutab kiibikompetentsi olemasolu, siis Eesti on kindlasti märkimisväärselt paremas seisus kui mitmed teised Euroopa maad. Tehnikaülikooli arvutisüsteemide instituudis ja ka elektroonikainstituudis on teadusgruppe, mis on kiipide vallas maailmatasemel. TTÜ laborid valmistavad kaks-kolm uut kiipi aastas, mis pole just halb tulemus meie suurust arvestades. Oleme olnud traditsiooniliselt väga tugevad kiipide testimise, verifitseerimise, töökindluse ja turbe vallas. TTÜ on (Torino, Grenoble’i ja Montpellier’ kõrval) vaieldamatult üks suuremaid selle valdkonna keskusi Euroopas.
On selge, et kiibidisainer on võrreldes tavalise programmeerijaga märksa suuremat lisandväärtust pakkuv amet. Eesti ilmselt ei suuda programmeerimises võistelda riikidega, kus on suurem rahvaarv ja tööjõukulud odavamad. Kuid kiipide projekteerimise valdkonnas oleks meil võimalik läbi lüüa ning saada edukaks ja jõukaks tehnoloogiamaaks.
Tooksin veel kord esile Euroopa Liidu kiibimääruse,4 kus öeldakse selgelt statistika toel välja, kus on kõige suurem mahajäämus. Üheks suuremaks on kiibidisaini võimekus. Puutun alatihti sellel teemal kokku inimestega nii Tallinna Tehnikaülikoolis kui ka Eesti otsustajatega ja kui jutt läheb ELi kiibimääruse, täpsemalt, Eesti oma kiibitööstuse käivitamise peale, siis kohtan kogu aeg tohutut skepsist, et see kõik on suurte riikide pärusmaa ja mida meie siin väikeses Eestis ikka teha saame. See on täielik valearusaam, need inimesed mõtlevad kõik eelmise sajandi kategooriates. Just kiibidisainis on meil arvestatav kompetents. Oleme siin tehnikaülikoolis teadus-arendustegevuses üks Euroopa kompetentsikeskusi, võiks suisa ütelda, et teaduslikud turuliidrid ja trendide kujundajad, nüüd on vaja ainult ühist head tahet see siirata laboritest ärimudelitesse. Toonitan üle, et see on ELi tasandil ülimalt strateegiline valdkond, mõistetakse, et kogu uus ja innovaatiline, sh ka rohepööre, pole võimalik ilma ühise turuühenduse poolt kontrollitava kiibitööstuseta ja selle visiooni elluviimiseks eraldatakse hiiglaslikke summasid, ikka miljardeid, mitte miljoneid. Oleks tohutult kahju, kui me oma riigisisese koordineerimatuse tõttu sellest pirukast osa ei saa.
Kiibid, kaasa arvatud kiibidisain, on ELi ja seega ka Eesti jaoks tähtis strateegiline prioriteet, millele Euroopas eraldatakse tohutult vahendeid. Kuid selleks, et ka meil hakkaksid asjad liikuma, on Eestis tarvis koordineeritud tugiprogrammi kiipide valdkonna teadusele, õppetööle ja innovatsioonile.
1 „The Imitation Game“, USA 2014.
3 Jaan Raik, Eesti teaduse nähtamatud hiiglased. Teadusmõte Eestis X, Tallinn 2019.
Eesti arvutitehnika algusaeg
Kõigile, kes soovivad arvutite ajalukku süüvida ja tutvuda ka Eesti arvutitehnika ajaloo algusega, võib soovitada akadeemik Raimund-Johannes Ubari monograafiamõõtu ajaloo läbikirjutust „Arvutitehnika Instituudi lugu“ (Tallinna Tehnikaülikooli Kirjastus, 2016). Väärib väljatoomist, et see instituut, mille asutamisel ja arendamisel oli eesotsas Ustus Agur, loeb päris alguseks (ka siin eksisteerib teatud eelajalugu) 1966. aastat. Tänu algatuse edasiviijatele, näiteks akadeemikud Nikolai Alumäe ja Boris Tamm, ning tänapäeval edasiviijate, sh akadeemik Ubari ja professor Jaan Raigi visale andekale tööle on Tallinna tehnikaülikool kujunenud üheks tähtsamaks Euroopa Liidu pooljuhtide teaduse eesliiniks. Siit Eestist, tehnikaülikoolist, dikteeritakse valdkonna päevakorda, mitte ei sörgita sabas. Mikrokiibinduses on Eestil välja kujunenud silmapaistev suhteline eelis.