Semiconductor Engineering traf sich mit Larry Pileggi, Coraluppi-Leiter und Tanoto-Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Carnegie Mellon University und Gewinner des diesjährigen Phil Kaufman Award for Pioneering Contributions. Was folgt, sind Auszüge aus diesem Gespräch.

SE: Wann haben Sie angefangen, sich mit Halbleitern zu beschäftigen – und insbesondere mit EDA?

Pileggi: Das war 1984 bei Westinghouse Research. Wir stellten ASICs her – analoge und digitale – und mit der Digitaltechnik gab es Logiksimulatoren. Aber für Analog gab es bei Westinghouse keine Möglichkeit, sie zu simulieren. Sie hatten noch nicht einmal SPICE auf dem Gerät geladen. Also besorgte ich mir eine Kopie von SPICE aus Berkeley, lud das Band ein und war der Erste, der es im Forschungszentrum verwendete. Ich sah, wie begrenzt es war, und dachte: „Es muss reifere Dinge als diese geben.“ Während ich dort arbeitete, nahm ich an einem Kurs bei Andrzej Strojwas an der CMU (Carnegie Mellon University) teil. Er kam nach ein paar Wochen in diesem Kurs auf mich zu und sagte: „Ich denke wirklich, dass du für einen Doktortitel wieder an die Schule kommen solltest.“ Ich hatte bis zu diesem Zeitpunkt noch nie darüber nachgedacht. Aber dafür bezahlt werden, zur Schule zu gehen? Das war cool, also habe ich mich angemeldet.

SE: Die analoge Schaltungssimulation ist weitgehend rohe Gewalt, oder?

Pileggi: Die Tools, die es gibt, sind wirklich gut. Es gibt viele SPICEs, und alle haben ihre Nischen, in denen sie wirklich großartige Dinge bewirken können. Aber es ist nicht etwas, das man einfach skalieren kann. Das war wirklich eine Herausforderung. In der innersten Schleife herrscht rohe Gewalt, aber Sie können sie mit Hardware beschleunigen.

SE: Was war für Sie das „Aha“-Erlebnis im Hinblick auf den Umgang mit der Interconnect-Latenz, während die Interconnect-Verbindung weiter skaliert wurde?

Pileggi: Es bestand ein gewisses Interesse daran, RC-Netzwerke, die auf Chips auftraten, als eine Art besondere Problemklasse zu betrachten. Paul Penfield und andere am MIT haben dies getan Elmore Näherung von RC-Linien unter Verwendung des ersten Moments der Impulsantwort. Es stammt aus einem Elmore-Artikel aus den 1930er Jahren über die Schätzung der Verzögerung von Verstärkern. Markus Horowitz, ein Schüler von Penfield, versuchte, dies auf einige Momente auszudehnen. Was wir gemacht haben, war eher ein allgemeiner Ansatz, der viele Momente nutzte und Näherungen hoher Ordnung erstellte, die man auf diese RC-Linien anwenden konnte. Sie verwenden dies also tatsächlich, um die dominanten Zeitkonstanten oder die dominanten Pole im Netzwerk zu berechnen. Und was bei RC-Schaltkreisen wirklich interessant ist, ist, dass die Pole umso dominanter werden, je größer das Netzwerk wird. Man könnte also eine Million Knoten da draußen haben – und das wären eine Million Kondensatoren und eine Million Pole –, aber für eine RC-Leitung würden drei davon das wirklich gut modellieren. Das macht die Sache wirklich effizient, vorausgesetzt, Sie können diese drei effizient erfassen. Ich war naiv und wusste nicht, dass französische Mathematiker wie [Henri] gepolstert hatte schon lange zuvor Versuche mit Pade-Annäherungen unternommen. Ich sagte: „Oh, das sollte funktionieren.“ Und ich bin auf viele Realitäten gestoßen, warum es nicht funktioniert. Aber dann war ich in der Lage, etwas von dem Schaltungs-Know-how anzuwenden, um es an einen Ort zu bringen, an dem es sehr effektiv funktionierte.

SE: Viele dieser frühen Arbeiten drehten sich um Funksignale. Aber was können Sie sonst noch damit machen, wenn Sie das in die Computerwelt verlagern? Und wenn man nun nicht mehr alles auf einen einzigen Chip packen muss, ändert das dann etwas?

Pileggi: Nehmen wir als Beispiel die Stromverteilung für einen IC. Das wird auf dem Chip hauptsächlich vom RC-Phänomen dominiert. Der Widerstand dominiert bei weitem die jωL-Impedanz – die Induktivität. Aber wenn Sie zu einem Paket wechseln, ist das anders. Wenn Sie verschiedene Chips zusammenfügen, egal ob Sie sie stapeln oder auf einen Interposer legen, zeigt die Induktivität ihr hässliches Gesicht. Die Modellierung und Simulation der Induktivität ist außerordentlich schwierig. Das Problem besteht darin, dass man, wenn man sich die Kapazitäten anschaut, eine Potentialmatrix sieht, in der man die nächstgelegenen Kopplungen nimmt und sagt: „Okay, ich habe genug von dieser Kapazität, um zu sagen, dass dies das Verhalten dominieren wird.“ Sie werfen im Wesentlichen weg, was Sie nicht brauchen. Bei der Induktivität besteht im Vergleich zur Kapazität eine Eins-zu-eins-Beziehung. Wenn Sie nun den dominanten Induktivitätseffekt wollen, ist das nicht so einfach zu erreichen. Wenn es gegenseitige Kopplungen von allem zu allem anderen gibt und Sie sagen, ich werde die Kopplungen zu weit entfernten Dingen wegwerfen, ist das vom Standpunkt der Genauigkeit aus scheinbar eine vernünftige Vorgehensweise, aber es beeinträchtigt die Stabilität der Näherung. Im Wesentlichen kann es zu einer Verletzung der Flusserhaltung kommen, sodass positive Pole entstehen. Sie können also tatsächlich instabile Systeme erzeugen, indem Sie einfach kleine Induktivitätsterme wegwerfen. Wenn Sie jemanden sehen, der die Induktivität berechnet, handelt es sich normalerweise nur um eine Schätzung – oder er hat einige Maßnahmen ergriffen, um daraus ein stabiles Modell zu erstellen.

SE: Basiert diese Simulation auf der 80/20-Regel oder auf 90/10?

Pileggi: Sogar bei den Gehäusen, die wir hatten, bevor wir mit der Multi-Chip-Entwicklung begannen, war die Stromverteilung RC, aber wenn man sie in ein Gehäuse mit vielen Metallschichten umwandelt, ist es LC. Wir hatten in den letzten 20 Jahren das gleiche Problem, aber was passierte, wurde von guten Ingenieuren gelöst. Sie wenden sehr konservative Methoden an, um sicherzustellen, dass die Chips funktionieren.

SE: Wenn man das also jetzt in fortgeschrittene Knoten und Pakete bündelt und den ganzen Spielraum eliminiert, steht man vor ernsthaften Herausforderungen, oder?

Pileggi: Ja, und deshalb war es für mich ein guter Zeitpunkt, auf das Stromnetz umzusteigen.

SE: Die Stromnetze unserer Gemeinden haben jedoch ihre eigenen Probleme, wie die Lokalisierung und Mischung von Gleich- und Wechselstrom sowie eine Reihe von Wechselrichtern.

Pileggi: Es ist ein faszinierendes Problem. Als ich mich zum ersten Mal damit beschäftigte, erzählte mir einer meiner Studenten, wie er Simulationen durchführte. Ich sagte: „Wow, das ergibt keinen Sinn.“ Naiverweise dachte ich, es sei wie eine große Rennstrecke, aber es ist viel mehr als das. Es ist ein sehr cooles Problem, an dem man arbeiten kann. Für dieses Problem haben wir viele wirklich spannende Technologien entwickelt. Bei Wechselrichtern gibt es einen ganzen Regelkreis. Es gibt nicht die Trägheit, die man bei großen rotierenden Maschinen hat, die mit Kohle betrieben werden. Aber Sie haben alle diese Komponenten im selben Raster. Wie sich das Netz dynamisch verhält, ist ein gewaltiges Problem.

SE: Variiert das auch je nach Wetter? Sie haben mit großen Schwankungen der Umgebungstemperatur und allen Arten von Lärm zu kämpfen.

Pileggi: Ja absolut. Tatsächlich hängt das Verhalten der Linien stark von der Temperatur ab. Das beeinflusst die Widerstandsfähigkeit der Übertragungsleitungen. Die Frequenz ist sehr gering, aber die Längen sind sehr lang, sodass es ähnliche Probleme gibt, aber noch mehr bei erneuerbaren Energien. Es gibt Sonne, dann eine Wolke, dann Sonne. Oder der Wind ändert die Richtung. Wie speichert man Energie für den späteren Gebrauch? Da spricht man von schweren Batterien im Boden und solchen Sachen. Dies mit einem alten Netz, wie wir es haben, ist eine Herausforderung. Ich würde viel lieber bei Null anfangen.

SE: Als Sie mit der Elektronikbranche angefangen haben, war sie größtenteils die Domäne einiger sehr großer Unternehmen mit sehr großen Forschungsbudgets?

Pileggi: Ja, und hier haben Sie gesehen, dass Management wirklich einen Unterschied macht. Einige dieser Unternehmen, wie Westinghouse Research, verfügten über diese unglaublichen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen, nutzten sie jedoch nicht effektiv, wie die gesamte Galliumarsenid-Forschung, in der ich arbeitete. Es schien, dass das Management jedes Mal, wenn wir etwas entwickelten, um etwas zu verbessern, nicht immer wusste, was es damit anfangen sollte. Ich habe mit einigen der klügsten Menschen zusammengearbeitet, die ich je getroffen habe, und sie hatten an Projekten wie der ersten Kamera im Weltraum gearbeitet, aber sie lebten im Dunkeln. Niemand wusste etwas über ihre Arbeit, aber es war einfach unglaublich.

SE: Noch eine Frage zu Mathematik. Sie haben offenbar den Ruf, ein sehr starker Pokerspieler zu sein. Wie kollidierten diese beiden Welten?

Pileggi: Ich war zu einem DARPA-Treffen in Las Vegas, hatte einen Nachmittag frei und es fand ein Texas Hold'em-Pokerturnier statt. Ich dachte, es würde irgendwie Spaß machen, also habe ich vier oder fünf Stunden gespielt, bin ausgeschieden und es hat mich 100 Dollar gekostet. Ich war jedoch fasziniert davon. Ich ging zurück nach Pittsburgh und stellte fest, dass unser örtliches Casino einen Pokerraum mit Turnieren eröffnet hatte. Es ging mir langsam besser, wahrscheinlich weil ich etwa 30 Bücher zu diesem Thema gelesen habe. Je mehr Sie spielen, desto mehr wird Ihnen klar, dass es hier viele Ebenen gibt. Letztendlich habe ich bei der World Series in Las Vegas mitgespielt, weil es so etwas wie eine Bucket-List-Sache ist, und bei diesem ersten Mal habe ich es bis zum zweiten Tag des Hauptevents geschafft. Das entspricht einem Platz unter den besten 40 % des Feldes. Als ich zurück in Pittsburgh war, fand im Casino eine „Poker Night in America“-Veranstaltung statt. Es waren etwa 300 Leute und einige Profis da. Ich habe daran teilgenommen und den ersten Platz gewonnen. Das war ein Samstag rund um Thanksgiving im Jahr 2013. Wir haben von Mittag bis kurz nach Mitternacht gespielt, und am Sonntag fängt es dann wieder an. Wir spielten bis vielleicht 5 Uhr morgens

SE: Das muss einen Tribut gefordert haben.

Pileggi: Ja, weil ich die Suche nach neuen Abteilungsleitern geleitet habe. Ich hatte ein Treffen für Montagmorgen geplant, das ich nicht verpassen durfte, also schickte ich allen eine E-Mail, um ihnen mitzuteilen, dass ich eine Stunde zu spät kommen würde, und fragte, ob sie das Treffen verschieben könnten. Ich ging nach Hause, aß etwas, schlief eine Stunde und ging dann zum Campus, um die Schlussabstimmung vorzunehmen. Sie fragten: Was ist passiert? Ich sagte, ich sei in einem Pokerturnier. Sie dachten, ich mache Witze. Aber dann sahen sie mich im Fernsehen. Alle lokalen Nachrichtensender berichteten darüber mit der Aussage: „Der örtliche Professor schwänzt die Schule.“ Ich erhielt einen Anruf von jemandem, mit dem ich 34 Jahre lang nicht gesprochen hatte. Mein Dekan sagte, sein Sohn halte Ingenieurwesen für dumm. Aber dann fand er heraus, dass dieser Ingenieur dieses Pokerturnier gewonnen hat, und jetzt findet er Ingenieurswesen wirklich cool.“

SE: Wie hat sich das auf Ihren Ingenieurunterricht ausgewirkt?

Pileggi: Ich habe mich hier vor zwei Jahren, als ich Abteilungsleiter wurde, einer Gruppe von Studierenden vorgestellt und gefragt, ob sie Fragen hätten. Eine junge Dame hob die Hand und sagte: „Ja, können Sie uns beibringen, wie man Poker spielt?“ Deshalb mache ich jetzt einmal im Semester ein Pokertraining mit Studenten.

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• Quelle: https://semiengineering.com/latency-interconnects-and-poker/