منذ الستينيات، تم بناء الغالبية العظمى من وحدات المعالجة المركزية (CPUs) في أجهزة الكمبيوتر لدينا على ما يسمى بالتصميم المتجانس: حيث يتم نقش الشريحة بأكملها مرة واحدة. لكن في السنوات الأخيرة، اهتزت هذه الاتفاقية بسبب الشرائح الصغيرة، التي تتكون من فصل النقش إلى عدة شرائح. تفسيرات.
منذ عام 2017، عادت AMD إلى الواجهة أمام Intel بفضل تغيير كبير في تصميم الرقائق: الانتقال من التصميم المتجانس إلى مفهومشرائح صغيرة. وفي عام 2022، تسعى الشركة إلى إعادة إنتاج هذا الإنجاز في عالم وحدات معالجة الرسومات التي تهيمن عليها Nvidia. نظرة إلى الوراء على هذا التغيير في التصميم والذي يمكن أن يصبح التصميم المرجعي في المستقبل.
تصميم متجانس
يعد المعالج الدقيق، في الأساس، أحد أقدم عناصر جهاز الكمبيوتر الخاص بك من حيث تصميمه: مجموعة من البوابات المنطقية (التي يتم تنفيذ وظيفتها بواسطة الترانزستورات) تهدف إلى تنفيذ مجموعة تعليمات تحكم كل ما يحدث على جهاز الكمبيوتر الخاص بك. من المؤكد أن التكنولوجيا وعملية التصنيع تطورت منذ عام 1971 وإصدار معالج Intel 4004، الذي يعتبر أول معالج دقيق يتم تسويقه لعامة الناس، لكن الفكرة الأساسية لهذا التجميع للبوابات المنطقية ظلت دائمًا كما هي.
أحد المبادئ الأساسية للمعالج الدقيق هو دمج جميع وظائفه (السجلات أو وحدات التحكم أو حتى UALs) في دائرة واحدة، أي ما يسمى بالتصميم المتجانس. تحظى بشعبية كبيرة فيوحدة المعالجة المركزيةلأجهزة الكمبيوتر لدينا لسنوات، تم العثور على هذه الفلسفة بشكل متزايد في مواجهة طريقة جديدة تتكون من استخدام عدة دوائر متكاملة (تسمى شرائح صغيرة) في معالج واحد.
يمكن أن تتمتع هذه المعالجات، التي تسمى أحيانًا MCM (الوحدات متعددة الرقائق)، بالعديد من المزايا، لا سيما السماح للمصنعين بنمطية أكبر في نماذج وحدة المعالجة المركزية المقدمة بتكلفة أقل أو أكثر. وهذا ما سمح لـ AMD بتجاوز Intel أخيرًا في سوق وحدات المعالجة المركزية منذ عام 2017 مع Ryzen المثير للإعجاب. أعلنت الشركة المصنعة عن عزمها إعادة إنتاج هذا الإنجاز في عالم وحدات معالجة الرسومات، الذي تهيمن عليه شركة Nvidia، باستخدام هذه التقنية. ولكن لفهم قيمتها بشكل أفضل، نحتاج أولاً إلى العودة إلى كيفية صنع المعالج.
يا بابا كيف نصنع المعالجات؟
الدائرة المتكاملة للمعالج (تسمىيموت) مصنوعة من رقاقة سيليكون كبيرة (تسمىرقاقة) حيث سيتم حفر المسارات المختلفة التي تتكون منها الترانزستورات قبليموتنفسه مقطوع منرقاقةليتم تضمينها في المعالج. النقش، الذي يتكون من طباعة المسارات على القالب عبر الضوء فوق البنفسجي، سيحدد عدد الترانزستورات وموضعها على القالب.
وعلى الرغم من المخاطرة بتوضيح ما هو واضح، فإن عدد الترانزستورات الموجودة على أيموتسيكون لها تأثير مباشر على أدائها. أيضًا، أصبحت زيادة عدد الترانزستورات سريعًا هدفًا لمصنعي وحدة المعالجة المركزية، وإحدى الطرق لتحقيق ذلك بشكل فعال هي تحسين دقة النقش، لأنه يسمح، من بين أمور أخرى، بالحصول على عدد أكبر من الترانزستورات على مساحة سطحية أصغر.
وكانت الزيادة في عدد الترانزستورات موضوع التنبؤ الشهير من قبل المؤسس المشارك لشركة إنتل جوردون إيرل مور، الذي أعلن في عام 1975 أن عددها في المعالجات سوف يتضاعف كل عامين مقابل تكلفة تصنيع ثابتة. تم تنفيذ "قانون مور" هذا بدقة مذهلة حتى بداية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ولكن منذ هذه الفترة، وجد المؤسسون أنفسهم في مواجهة قيود مادية كان من الصعب التغلب عليها بشكل متزايد، وتظهر نماذج وحدة المعالجة المركزية الجديدة تحسينات أقل إثارة للإعجاب من الأجيال السابقة. . بعد عام 2000 مباشرة، وصل Pentium 4 إلى دقة نقش تبلغ 65 نانومتر، وهو تقدم لا يصدق مقارنة بـ 10 ميكرومتر في Intel 4004 في عام 1971، ولكن هذا الحاجز لم يتم تجاوزه قبل عام 2008 وأول Core 2 Duo بدقة 45 نانومتر. .
إحدى العواقب المؤسفة لهذه القيود المادية، بالإضافة إلى إبطاء التحسينات، هي أيضًا أنه يصبح من الصعب إطلاق معالجات أكثر كفاءة بتكلفة تصنيع ثابتة. فقط في عام 2017، بينما كانت الشركة الرائدة إنتل تكافح بشكل متزايد من أجل الابتكار في مجال لا تزال تهيمن عليه، وجدت منافستها AMD طريقة للتحايل على هذه القيود المادية من خلال بنيتها المعمارية الدقيقة Zen وشرائحها الصغيرة الشهيرة. هذا الأخير، إلى جانب دقة النقش البالغة 7 نانومتر، يسمح له بزيادة عدد النوى في معالجاته بشكل كبير.
"سوف نأكل... شرائح صغيرة!" »
على الورق، مبدأ الشريحة الصغيرة لوحدة المعالجة المركزية ليس معقدًا للغاية: فبدلاً من نقش وحدة المعالجة المركزية كاملة على نفس سطح وحدة المعالجة المركزيةرقاقةكما في حالة التصميم المتجانس، يتم فصل هذا النقش إلى عدةيموتأصغر حجمًا، مما يؤدي إلى معالج يدمج بالفعل عدة شرائح متصلة ببعضها البعض. هذا النوع من التصميم يجعل من السهل إنشاء معالجات أكثر قوة، أو ببساطة أكثر معيارية، ولكن أيضًا لتقليل التكاليف، سنعود إلى هذا.
لكن شركة AMD ليست مخترعة الشرائح الصغيرة بالمعنى الدقيق للكلمة. لقد كانت الرقائق من نوع MCM موجودة منذ سنوات، ولا سيما مع شريحة IBM 3081، التي تم إصدارها في عام 1980، والتي تضمنت رقاقتينيموت. في ذلك الوقت، لم يكن الهدف هو تقليل التكاليف كما هو الحال اليوم، ولكن ببساطة تحقيق قوة حاسوبية غير عادية، وكان الهدف من هذا المعالج هو تزويد الحواسيب المركزية للعلامة التجارية بما كان في الأساس معالجين في معالج واحد. لاحقًا، عادت فكرة تقسيم المعالج إلى عدة قوالب إلى الظهور، ولا سيما في معالج Pentium Pro من Intel في عام 1995: هذه المرة، قامت وحدة المعالجة المركزية بدمج وحدة معالجة مركزية.يموتللمعالج المركزي وآخر يحتوي على الذاكرة المؤقتة. وبهذه الطريقة، يمكن لشركة إنتل إعادة استخدام بنيتها الدقيقة بسهولة عبر عدة خطوط شرائح مختلفة، مما يوفر أحجامًا مختلفة لذاكرة التخزين المؤقت لمعالجاتها عن طريق إقرانها ببساطة بشريحة صغيرة أخرى لإنشاء النموذج المطلوب.
ستصبح هذه الوحدة، بالإضافة إلى الموثوقية التي توفرها، سريعًا واحدة من المزايا الرئيسية للشرائح الصغيرة، لا سيما من حيث خفض التكلفة. في الواقع، عندما يقوم المؤسس بنقش عدةيموتعلى أرقاقةيجب عليه بعد ذلك اختبار مدى صلاحية الدوائر التي تم الحصول عليها، وبالتالي تحديد أي منها سيكون جيدًا للتسويق أم لا. يمكن أن يؤدي أدنى غبار على الرقاقة أثناء النقش إلىيموتمعيبة وإلقائها في سلة المهملات، وبالتالي فقدان جزء كبير أو أقل أهمية من الإنتاج. من خلال قطع نقش وحدة المعالجة المركزية إلى عدة أجزاء أصغر، فإننا نخفف من خطر الخسارة بشكل أكثر فعالية: حيث يعني سطح النقش الأصغر احتمالًا أقل للخسارة. وبالمثل، يمكن استبدال الشريحة المعيبة بأخرى مماثلة، ولا يتم فقدان وحدة المعالجة المركزية. في حالة Pentium Pro، هذه الوحدة هي أيضًا ما سمح لشركة Intel بإصدار طراز 200 ميجاهرتز في ثلاثة إصدارات بأحجام مختلفة لذاكرة التخزين المؤقت: 256 أو 512 أو 1024 كيلو بايت، وهو خيار نادر إلى حد ما في ذلك الوقت لشريحة واحدة. .
حتى وقت قريب، كانت وحدات المعالجة المركزية من نوع MCM تُستخدم بشكل أساسي في النظام الموجود على شريحة (SoC)، والتي تحظى بشعبية كبيرة خاصة في الهواتف الذكية. وهي تتكون من معالج مركزي يحتوي على كل ما هو ضروري على عدةيموت: وحدة المعالجة المركزية، دائرة الرسومات أو حتى ذاكرة الوصول العشوائي. تقوم شركات Qualcomm وSamsung وApple بتزويد الغالبية العظمى من الهواتف الذكية في السوق بشرائح التصميم المعيارية هذه، لكن عالم أجهزة الكمبيوتر الشخصية لم يكن لديه سوى القليل جدًا منها باستثناء عدد قليل من النماذج المخصصة للاستخدام المهني.
على الأقل حتى تبنته AMD بالنجاح الذي نشهده في معمارية Zen الدقيقة في عام 2017. وفي أساس هذه البنية الدقيقة يوجد المجمع الأساسي (CCX)، والذي سيتم العثور عليه في جميع معالجات العلامة التجارية. بشكل ملموس، إنها عبارة عن دائرة تتضمن 4 مراكز بالإضافة إلى ذكريات ذاكرة التخزين المؤقت المختلفة، والتي ستعيد AMD استخدامها مرارًا وتكرارًا في النطاقات المتعددة لوحدات المعالجة المركزية الخاصة بها لإنشاء نماذج أكثر أو أقل قوة. ومع ذلك، يجب ترتيبها في قوالب Chiplet الأساسية (CCD)، والتي ستكون بمثابةيموتمحفورة بالفعل من قبل المؤسس ليتم دمجها في وحدات المعالجة المركزية. يمكن لكل CCD استيعاب ما يصل إلى اثنين من CCXs لما مجموعه 8 مراكز لكل CCD. هذه هي الطريقة التي تمكنت بها الشركة المصنعة منذ عام 2017 من تقديم مجموعة واسعة إلى حد ما من المعالجات ذات 4 و 6 و 8 مراكز، مع أو بدونهاترابطبسعر معقول أكثر بكثير من منافستها إنتل. في الواقع، من خلال استخدام نفس التصميم بشكل منهجي، وبالتالي نفس الشيءيموتبالنسبة لجميع معالجاتها، تمكنت AMD بعد ذلك من تقليل تكاليف الإنتاج بشكل كبير.
وهذا ليس كل شيء: نظرًا لأن CCDs هي في الأساس شرائح صغيرة يمكنها الاتصال ببعضها البعض (عبر عملية تسميها العلامة التجارية Infinity Fabric)، فقد عرضت AMD على نفسها خيار إطلاق وحدات المعالجة المركزية التي تتضمن اثنين من CCDs، بإجمالي 16 مركزًا (أربعة مراكز) CCX) على نطاق Threadripper الخاص بها. لقد أدى الانتقال إلى البنى الدقيقة الجديدة (Zen+ وZen 2 وZen 3 وقريبًا Zen 4) إلى الحفاظ على فلسفة CCD الفريدة هذه الموجودة في جميع معالجات الشركة المصنعة.
في عام 2019، مع إصدار Zen 2 ورايزن3000، تدفع AMD هذا المنطق بشكل أكبر من خلال مرافقة جميع أجهزة CCD الخاصة بها بشريحة صغيرة جديدة، وهي قالب الإدخال/الإخراج (I/OD). هذه الدائرة مسؤولة عن إدارة جميع عمليات نقل البيانات على مختلف الناقلات التي تديرها وحدة المعالجة المركزية، ولا سيما PCI-Express 4.0، الذي كان جديدًا تمامًا وقت إصداره. وفي هذا الوقت أيضًا، أطلقت الشركة المصنعة أول معالج ذو 16 نواة (2 CCD) لعامة الناس مع Ryzen 3950X (تم إصداره مقابل 800 يورو تقريبًا)، بالإضافة إلى Threadripper 3990X الذي يبلغ إجماليه 64 نواة على 8 أجهزة CCD.
وهذا أيضًا هو نهج شركة Apple مع مجموعتها من شرائح M1 وM1 Pro وM1 Max وM1 Ultra. هذا الأخير ملحوظتجميع شريحتين M1 Max.في Apple، لا يُطلق على الاتصال اسم Infinity Fabric، بل يُسمى UltraFusion.
مبادرة لتوحيد شرائح
من ناحية إنتل، لا تزال استخدامات هذا النوع من التكنولوجيا نادرة جدًا: وحدات المعالجة المركزية Alder Lake الخاصة بالعلامة التجارية، على الرغم من بنيتها الهجينة التي تجمع بين النوى القوية وغيرها ذات الاستهلاك المنخفض، لا تزال يتم إنتاجها من تصميم متجانس، ويجب أن تتبع Raptor Lakes المستقبلية نفس المسار. لكن إنتل قامت بالفعل بتجربة معالجات MCM في الماضي، بشكل أساسي على النماذج المخصصة للشركات أو على FPGAs (مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية)، وهي شرائح يمكن إعادة برمجة بواباتها المنطقية لتخصيص استخدامها. الشركة المصنعة مهتمة به أكثر لأنه جزء منهUniversal Chiplet Interconnect Express (UCIe)، وهو اتحاد يهدف إلى توحيد التصنيع والربط البيني للشرائح الصغيرة عبر الصناعة. وهو بالطبع ليس وحده هناك، حيث أن هناكالعلامات التجارية الكبرى الأخرى مثل AMD وArm وGoogle وMeta وMicrosoft وQualcomm.
يقودنا هذا إلى الفائدة النهائية للشرائح الصغيرة بالنسبة للصناعة بشكل عام، والتي تتعلق بالنمطية التي تتيحها. لنأخذ مثال AMD، فإن أجهزة CCD المنتجة لـ Ryzen و Threadrippers موجودة حاليًا فقط في Ryzen و Threadripper، ولكن من حيث القيمة المطلقة، لا شيء يمنع العلامة التجارية من بيع CCDs الخاصة بها إلى مصنع آخر يرغب في إنشاء معالجاته الخاصة واستخدامه. الملكية الفكرية لشركة AMD، وحتى دمجها مع شرائح أخرى.
في الواقع، هذا بالفعل ما كانت AMD تفعله منذ عام 2019: يتم تصنيع شرائح الإدخال/الإخراج الشهيرة لـ Ryzen 3000 (والنماذج اللاحقة) بواسطة مؤسس آخر باستخدام عملية مختلفة. في حين أن أجهزة CCD تخرج من مصانع TSMC وهي محفورة في 7 نانومتر، فإن أجهزة الإدخال/الإخراج تأتي من شركة GlobalFoundries، التي توفريموت12 أو 14 نانومتر حسب الموديل.
ومن خلال السعي لتحقيق معيار ما، تهدف UCIe إلى إنشاء شرائح صغيرة يمكن إعادة استخدامها من قبل الشركات المصنعة المختلفة والتي سيتم ضمان اتصالها البيني من خلال القواعد التي حددتها. باستخدام مخيلتنا، وبالنظر إلى قائمة الشركات المصنعة الموجودة في الكونسورتيوم، يمكننا أن نتصور بشكل مثالي شركة نفط الجنوب تضم شريحة صغيرة من إنتاج شركة كوالكوم للمعالج، ووحدة معالجة الرسومات التي أنشأتها AMD وشريحة صغيرة من إنتل مما يسمح لنا بالاستفادة من Thunderbolt، Wi-Fi 7 وأحدث التطورات. وهذا بالطبع مجرد مثال، لكنه يعطي فكرة عما يمكن أن يحققه إنشاء مثل هذا المعيار المفتوح.
ومع ذلك، في الوقت الحالي، نحن فقط في المراحل الأولية لمختلف الشركات المصنعة، التي تبحث عن شركاء آخرين لتوسيع صفوفها، ولكن من غير المتوقع وجود مواصفات واضحة وقابلة للتطبيق من قبل الصناعة على الفور. لكن هذا النوع من المبادرات يظهر أن المسار الذي سلكته AMD يبدو أنه المسار الصحيح، ويعطي الأمل لابتكارات جديدة في وحدات المعالجة المركزية، وهو المجال الذي كانت الشركات المصنعة الرئيسية تتخبط فيه إلى حد ما قبل عام 2017.
نراكم كل يوم أربعاء على Twitch، من الساعة 5 مساءً حتى الساعة 7 مساءً، للمتابعة المباشرةالعرض Survoltésمن إنتاج فراندرويد. سيارة كهربائية، دراجة كهربائية، نصيحة الخبراء، ألعاب أو شهادات، هناك شيء للجميع!
