Как казахстанец разрабатывает алгоритмы для чипов мировых техногигантов
Расул Байрамкулов говорит, что его исследования помогают улучшать технологии таким компаниям, как Google, Apple, Microsoft и Qualcomm
Полупроводниковая отрасль — это огромный растущий рынок, размер которого, по прогнозам McKinsey, превысит триллион долларов к 2030 году. В создании чипов задействовано множество контрагентов: научно-исследовательские лаборатории, производители оборудования, химикатов и другие. Производство полупроводников в целом считается одним из самых сложных технологических процессов, а их улучшение и модернизация — труднейшей инженерной задачей. Это целая наука, где нужны фундаментальные знания физики и математики.
О сложностях и тонкостях этой науки не понаслышке знает Расул Байрамкулов. 29-летний казахстанец — научный сотрудник Политехнического университета Швейцарии (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), одного из ведущих университетов мира. Уже несколько лет он работает над созданием алгоритмов для улучшения функций чипов. Как объясняет Расул, своими исследованиями он помогает ведущим мировым компаниям — производителям электроники сделать микросхемы оперативнее, компактнее, энергоэффективнее.
— Такие компании, как Google, Apple, Microsoft, Nvidia, Qualcomm, заинтересованы в том, чтобы уменьшить потребление электроэнергии в их датa-центрах или ускорить рабочие процессы, например сделать обработку фотографий в Google Photo более быстрой. Сейчас в тренде ИИ, Big Data, облачные технологии, и всё это требует очень быстрых вычислений при работе с данными миллиардов пользователей. Для этого нужны очень мощные чипы, и мы своими исследованиями помогаем этого добиться, — пояснил наш герой.
Чипованный мир
Расул Байрамкулов родом из Караганды. До восьмого класса он учился в общеобразовательной школе. Как говорит Расул, он уже тогда любил физику и математику, и стандартная учебная программа была для него слишком легкой. Учителя настоятельно рекомендовали родителям Расула перевести его в учебное заведение с техническим уклоном. Выбор пал на школу при Карагандинском государственном техническом университете, которую Расул окончил с отличием. Затем он поступил в Назарбаев Университет, где и начал свой путь в чипованный мир.
— На втором курсе я был очень активным во время лекций профессора Алекса Рудермана, он преподавал курс «Аналоговые цепи». После одного из занятий он предложил мне совместно проводить исследования, что было гораздо сложнее, чем-то, что мы проходили в классе. Конечно же, я согласился, — уточнил Расул, опережая мой вопрос.
Вместе с профессором Расул стал заниматься исследованием конверторов. Он изучал, как преобразовать высокое напряжение в низкое с минимальными потерями, — это также одна из главных задач и при производстве чипов.
— Ближе к окончанию вуза, когда у нас уже были хорошие наработки, мы отправили их на конференцию в Болгарию, и там нашу работу неожиданно приняли. Это большая редкость, когда свои научные статьи публикуют не докторанты или профессора, а обычные студенты, — не без гордости отметил Расул.
Во время учебы профессор Рудерман и другие преподаватели настаивали на том, чтобы Расул продолжил академическую карьеру и поступил в докторантуру.
— Я подал заявки во множество университетов по всему миру, получил ответы из вузов Британии, Саудовской Аравии, Сингапура и США. Одним из откликнувшихся вузов был Университет Рочестера в Нью-Йорке. В письме от профессора было сказано: «Мне нравится, что ты делаешь. Тема твоих исследований довольно близка к нашим. Я был бы рад, если бы ты поступил в нашу лабораторию и продолжил исследования». Я согласился, так как успех докторантуры сильно зависит от профессора. И то, что он был заинтересован, означало, что он будет уделять мне внимание и помогать в исследованиях, — рассказал Расул.
В американском вузе Байрамкулов уже вплотную занялся работой над чипами. И если сейчас он занимается исследованием полупроводников с точки зрения алгоритмов, что, как поясняет Расул, считается высоким уровнем, то в университете были более простые исследования.
— В Америке я в большей степени занимался электрическими цепями, выяснял, как улучшить энергопотребление или как сделать так, чтобы сигнал из одной части чипа поступал в другую без искажений, — попытался на пальцах объяснить Расул.
Во время обучения лаборатория, где Расул проводил исследования, сотрудничала с компанией Qualcomm, чьи процессоры сейчас устанавливают на многие топовые смартфоны, и решала вопросы энергопотребления чипов. Байрамкулов тоже принимал участие в исследованиях и даже какое-то время поработал «в поле».
— Для работы микросхемы важно, чтобы напряжение, которое подается на чип, было очень стабильным. Например, если для работы чипа нужен 1 вольт, то 1,1 вольта — это слишком много, а 0,9 вольта — слишком мало. Поэтому у компаний уходит много сил на то, чтобы сдерживать напряжение в нужных рамках. Мы предложили некоторые идеи, которые могли бы помочь инженерам Qualcomm, и в течение двух лет разрабатывали их. После этого представители компании предложили мне приехать к ним в Сан-Диего и самому внедрить свои разработки в их чипы, — называет следующий этап своей работы Расул.
Во время докторантуры в США наш герой, помимо лабораторной работы, в течение пяти лет преподавал американским студентам принципы создания микросхем и выступал на международных конференциях. А в 2021 году участие в конференции в Сан-Франциско стало поворотным в его карьере. — Тогда на мою презентацию пришел профессор Джованни Ди Микелли из университета в Швейцарии. После выступления он сказал, что моя работа очень хорошая, и попросил рассказать о ней подробнее. Мы поговорили, и профессор предложил мне продолжить академический путь в его лаборатории в Швейцарии. Я решил, что это прекрасная возможность для проведения исследований с таким известным ученым, а также я смогу узнать, чем отличается работа европейских ученых от американских, — поделился воспоминаниями Расул, но, как выяснилось позже, ни в какую Швейцарию он тогда не уехал.
Графская книга
Как рассказал Расул, после той «роковой» встречи с профессором Ди Микелли он не задумываясь поехал бы в Швейцарию, если бы не одно, а точнее, два «но», которые отложили переезд как минимум на полгода. Во-первых, нужно было дописать и защитить диссертацию. Во-вторых — дописать книгу, над которой докторант корпел в свободное от исследований, выступлений, диссертации и преподавания время.
— В докторантуре я часто использовал теорию графов, чтобы улучшить чипы и решить некоторые проблемы в чип-дизайне. И в какой-то момент пришло понимание, что в научной литературе нет ни одной книги, в которой бы была описана теория графов в создании чипов. Мы решили сами написать книгу под названием «Graphs in VLSI», чтобы показать места, где эти две сферы соприкасаются, — говорит он.
Я как человек крайне далекий от высшей математики попыталась выяснить, что же такое «теория графов», втайне надеясь, что это связано с дворянами, замками или, на крайний случай, с Дракулой. Но нет. Теория графов — это раздел дискретной математики.
Дописав все свои работы, защитив диссертацию и выпустив книгу, Расул со спокойной душой перебрался в Швейцарию, где его всё это время с нетерпением ждали.
Швейцарские алгоритмы
Сейчас лаборатория швейцарского университета, где трудится Байрамкулов, получает финансирование от компании Synopsis. Это крупнейший разработчик софта для проектирования электроники и чип-дизайна таких техногигантов, как Google, Apple, Microsoft, Nvidia, Qualcomm.
— Мы разрабатываем алгоритмы для синтеза логики. Это значит, что если у компании есть какой-то функционал, то мы проводим исследования и объясняем, как этот функционал реализовать внутри чипа так, чтобы он занимал как можно меньше места, работал как можно быстрее, был энергоэффективен и чтобы его было легко устанавливать, так как эту операцию компания должна будет провести миллионы раз. Таким образом, мы косвенно помогаем компаниям-техногигантам и делаем всё, чтобы в их продуктах разные операции проходили в разы быстрее, а их чипы были конкурентоспособными, — пояснил собеседник.
Схематичная награда
Работая в швейцарской лаборатории, Расул продолжил писать научные статьи, и довольно успешно: в феврале 2024 года он получил престижную награду Best Paper Award на международной конференции по интегральным схемам. Она проходила в Дубае и собрала специалистов из 24 стран.
— Для меня это значит очень много, потому что одна из сложностей исследования заключается в отсутствии четкого направления. Очень трудно понять — будет ли разработка полезной. И когда твоя статья получает мировое признание, значит, что ты двигаешься в правильном направлении, это имеет смысл и нужно усилить старания.
Расул не только сам участвует в таких конкурсах, но также является рецензентом международных научных журналов и докладов на конференциях, где оценивает работы других исследователей. Сейчас Расул планирует подготовить второе издание своей книги, так как за годы работы в Швейцарии накопил новый опыт и готов поделиться им с научным миром.
— За время докторантуры я провел научные исследования, которые было бы хорошо включить в дальнейшие издания книги. Мне бы очень хотелось дополнить уже существующие материалы, — поделился планами Расул.
