اینتل چطور در سال‌های پیش رو با قانون مور همگام‌ باقی می‌ماند؟

قانون مور -قانونی که براساس آن با گذشت هر ۲۴ ماه شاهد افزایش دو برابری تعداد ترانزیستورها در یک چیپ کامپیوتری خواهیم بود- به خاطر کاهش پیشرفت در این حوزه و دشواری کوچک‌تر کردن مدارها دیگر مثل قبل مصداق ندارد. اما اینتل، کمپانی غول حوزه چیپ‌سازی قصد دارد با یک برنامه‌ریزی جدید، این ایده را زنده نگه داشته و ۵۰ برابر ترانزیستور بیشتر نسبت به آنچه اکنون در پردازنده‌ها یافت می‌شود را روی چیپ‌هایش جای دهد.

روند پیشرفت قانون مور -که به یاد گوردون مور، هم‌موسس شرکت اینتل نام‌گذاری شده- ما را از مین‌فریم‌های گران‌قیمت در دهه ۱۹۶۰ به کامپیوترهای شخصی در دهه ۱۹۸۰ رساند و حالا هم شاهد اسمارت‌فون‌ها، ساعت‌های هوشمند، اتومبیل‌ها، تلویزیون، ماشین‌های لباسشویی و تقریبا هرچیز دیگری که از انرژی الکتریکی تغذیه می‌کند هستیم.

قانون مور راجع به کوچک‌تر شدن ترانزیستورها است، عناصر پردازش دیتایی که روی یک چیپ سوار می‌شوند. حالا اینتل قصد دارد که به کوچک‌تر کردن این ترانزیستورها ادامه دهد و در این راه، با قرار دادن چیپ‌ها درون پکیج‌های چندلایه، تراکم را بالاتر می‌برد.

راجا کودوری، معمار ارشد اینتل اخیرا در کنفرانس Hot Chips که به آخرین دستاوردهای پردازنده‌ها ارتباط دارد گفت: «ما قویا باور داریم که در آینده شاهد تراکم ترانزیستور بسیار بیشتر خواهیم بود. این چشم‌انداز، به مرور زمان عملی می‌شود -شاید یک دهه یا بیشتر زمان ببرد- اما در نهایت عملی خواهد شد».

بازتاب خوش‌بینی کودوری را می‌توان در هیجان‌زدگی دیگر کمپانی‌های حاضر در کنفرانس Hot Chips نیز دید. ای‌ام‌دی، انویدیا، گوگل، مایکروسافت، آی‌بی‌ام و انبوهی از استارتاپ‌های مختلف، از راه‌هایی تازه برای بهبود چیپ‌های مصرف عمومی و همینطور چیپ‌هایی که به وظایف خاص مانند هوش مصنوعی، گرافیک و شبکه‌سازی اختصاص یافته‌اند رونمایی کرده‌اند.

اینتل چطور به پیشرفت چیپ‌ها کمک می‌کند؟

کودوری در سخنان خود از چندین گام برای جای دادن ترانزیستورهای بیشتر نسبت به آنچه در چیپ‌های ۱۰ نانومتری -مانند پردازنده Tiger Lake که پاییز امسال از لپتاپ‌ها سر در می‌آورند- امکان‌پذیر است پرده برداشته. نخست سنتی‌ترین رویکرد را داریم، یعنی کاهش دادن ابعاد ترانزیستورها و قرار دادن آن‌ها با تراکمی بیشتر در کنار یکدیگر. آن‌طور که کودوری پیش‌بینی می‌کند، این کار منجر به افزایش سه‌ برابری تراکم ترانزیستورها خواهد شد.

بعد نوبت به طراحی جدید ترانزیستورها می‌رسد که گذار فعلی از عناصر تخت در مدار به سمت ساختار‌های سه‌بعدی را ادامه می‌دهد. با این گام‌ها که نانووایر و نانوویر انباشه نامیده می‌شوند، تراکم چهار برابر خواهد شد.

در نهایت نوبت به ابتکارات تازه در بسته‌بندی می‌‌رسد و چیپ‌ها روی لایه‌ای از المان‌های پردازنده سوار می‌شوند. با این اتفاق، تراکم ترانزیستور بار دیگر چهار برابر می‌شود. به این ترتیب و با تمام این ترفندها، تراکم به ۵۰ برابر تراکم کنونی می‌رسد.

دشواری‌ها

خوش‌بینی اینتل با دشوار‌ی‌هایی که این شرکت در همگان ماندن با قانون مور با آن‌ها مواجه شده در تضاد است.

اینتل که زمانی نه‌چندان دور رهبر بلامنازع تولید چیپ‌ در جهان به حساب می‌آمد، در سال‌های اخیر چالش‌های عظیمی را پشت سر گذاشته است. گذار از تولید پردازنده‌های ۱۴ نانومتری به پردازنده‌های ۱۰ نانومتری، به جای دو سال، برای این شرکت حدودا ۵ سال طول کشید. هر نانومتر، یک میلیاردم متر است و با عناصر ۱۴ نانومتری در مدار، اینتل می‌تواند حدود ۷۰۰۰ ترانزیستور را در فضایی معادل عرض موی انسان جای دهد.

بعد از این چالش در گذار به فرایند ۱۰ نانومتری، اینتل اکنون گذار از ۱۰ نانومتر به ۷ نانومتر را برای شش ماه به تعویق انداخته و تمام این مشکلات سبب شد اپل به استفاده از چیپ‌های اینتل در کامپیوترهای مک خاتمه داده و به سراغ پردازنده‌های آرم برود. برای کمک به حل این مشکل، اینتل پروسه طراحی انعطاف‌پذیرتری در پیش گرفته که به آن اجازه می‌دهد بر دیگر چیپ‌سازان رقیب، مانند شرکت Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (یا به اختصار TSMC) متکی باشد.

قانون مور، اما به چه بهایی؟

شرکت تایوانی TSMC که حدودا دو سال پیش به فرایند تولید ۷ نانومتری دست یافت و چیپ‌های آیفون اپل را می‌سازد، طی سال گذشته میلادی اعلام کرد که «قانون مور سالم و سر حال است». اما برخلاف آنچه در گذشته مشاهده کرده‌ایم، همگام ماندن با قانون مور حالا هزینه‌هایی تازه روی دست شرکت‌هایی می‌گذارد که می‌خواهند پیشرفته‌ترین پروسه‌های تولید را به کار بگیرند.

ایکس باکس وان مایکروسافت در سال ۲۰۱۳، ایکس باکس وان ایکس در سال ۲۰۱۷ و ایکس باکس سری ایکس که پاییز امسال از راه می‌رسد، همگی چیپی با اندازه حدودا یکسان دارد. چنین اتفاقی در گذشته بدان معنا بود که تمام این چیپ‌ها قیمتی حدودا یکسان خواهند داشت. اما جف اندروز، طراح ارشد مایکروسافت می‌گوید که اکنون «تهیه جدیدترین [چیپ‌ها] به شکل قابل توجهی گران‌قیمت‌تر شده».

یک چالش دیگر، گذشته از قیمت، اینست که چیپ‌های جدید معمولا تنها عملیات کامپیوتری مشخصی را بهبود می‌بخشند. این اتفاق برای وظایفی مانند هوش مصنوعی یا گرافیک کارآمد تلقی می‌شود، اما در عین حال زندگی را برای برنامه‌نویسان نرم‌افزار که باید با پردازنده‌هایی که هرکدام عملکرد متفاوتی دارند همگام بمانند، دشوارتر می‌کند.

اینتل قصد دارد از طریق یک لایه نرم‌افزاری جدید به نام oneAPI، پلی میان این چیپ‌ها که از یکدیگر جدا افتاده‌اند بزند. این حرکتی قابل توجه است: اینتل ذاتا در زمینه سخت‌افزار تخصص دارد، اما اکنون می‌خواهد حوزه نرم‌افزار را نیز در آغوش بگیرد تا گامی اساسی در کارآمدسازی هرچه بیشتر چیپ‌هایش بردارد.

کودوری عقیده دارد که «به مرور، تیم‌های معماری سخت‌افزاری باید از متخصصین نرم‌افزار نیز تشکیل شده باشند».

ایده‌های جدید

در کنفرانس Hot Chips، تولیدکنندگان پردازنده از جزییات مجموعه‌ای از ابداعات تازه پرده برداشتند که در ادامه برخی از آن‌ها را با یکدیگر مرور می‌کنیم.

۱. پردازنده Tiger Lake اینتل از یک ورژن جدید از تکنولوژی کاهش مصرف انرژی به نام DVFS (یا اسکیلینگ داینامیک فرکانس و ولتاژ) استفاده می‌کند. بخش‌های مختلف چیپ می‌توانند بسته به نیازهای پردازشی، سریع‌تر کار کنند یا کندتر تا مصرف انرژی کاهش یابد. اینتل اکنون اولویت‌ها را میان هسته‌های پردازشی، سیستم مموری و چارچوب ارتباطی که تمام این‌ها را به یکدیگر متصل کرده پخش می‌کند.

۲. چیپ‌های سری Ryzen 4000 شرکت ای‌ام‌دی -که با نام رمز Renoir شناخته شده و راهشان را به کامپیوترهای شخصی باز می‌کنند- حالا نخستین چیپ‌های هشت هسته‌ای برای لپتاپ‌های فوق باریک به حساب می‌آیند. ای‌ام‌دی در ابتدا به دنبال یک طراحی شش هسته‌ای بود اما بعد به یک طراحی بهتر دست یافت که از هشت هسته برای پرفورمنس بهتر در وظایفی مانند ادیت تصویر و ویدیو بهره می‌برد. این شرکت می‌گوید پردازنده‌های جدیدش، در سطح مشخصی از پرفورمنس، نصف پردازنده‌های قبلی انرژی مصرف می‌کنند.

۳. پردازنده‌های Power10 شرکت آی‌بی‌ام که ۱۸ میلیارد ترانزیستور داشته و در قالب سرورهای Unix طی سال آتی میلادی از راه می‌رسند، می‌توانند با یکدیگر ادغام شده و یک سرور قدرتمند با سقف ۲۴۰ هسته پردازشی را تشکیل دهند. علاوه بر این، یک «پاد» متشکل از سرورهای متصل می‌توانند ۲ پتابایت حافظه را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. این قابلیت برای چالش‌های پردازشی عظیم سازمانی مانند ماینینگ دیتا و مدیریت دیتابیس کارآمد تلقی می‌شود.

۴. استارتاپی به نام Lightmatter از چیپ Mars برای شتابدهی به کارهای هوش مصنوعی نظیر تشخیص تصویر رونمایی کرده است. این چیپ، یک میلیارد ترانزیستور را کنار ده‌ها هزار قطعه‌ای قرار می‌دهد که به جای الکتریسیته، از نور برای انتقال اطلاعات و انجام محاسبات استفاده می‌کنند. ایده پشت این تکنولوژی فوتونیک، از بین بردن نیاز به مصرف برق بوده است.