هرآنچه باید درباره تنسور گوگل و عملکردش در برابر تراشه‌های کوالکام و سامسونگ بدانید

گوگل با عرضه سری پیکسل ۶، اولین سامانه روی یک تراشه (SoC) خود را در اختیار عموم قرار داد.  اگرچه در کارنامه گوگل افزودن قطعات اضافی به محصولات مانند ویژوال کور در سری پیکسل و چیپ امنیتی Titan M به چشم می‌خورد؛ اما تراشه تنسور به عنوان گام ابتدایی این شرکت در عرصه طراحی (یا مشارکت در طراحی) SoC سفارشی مخصوص موبایل محسوب می‌شود.

با اینکه تمامی اجزای مورد استفاده در تراشه تنسور از ابتدا توسط گوگل توسعه و ساخته نشده‌اند؛ اما واحد پردازشی تنسور (TPU) به طور کامل ثمره تلاش مهندسان داخلی شرکت است و نشان‌دهنده غایت نهایی درنظر گرفته شده برای تراشه مذکور توسط گوگل به شمار می‌رود. گوگل اعلام کرده این تراشه روی بهبود کیفیت تصاویر به کمک فوکوس لیزری و قابلیت‌های یادگیری ماشینی تمرکز دارد؛ در نتیجه نمی‌توانیم قدرت پردازشی خام خارق‌العاده‌ای از تراشه تنسور در اغلب اپلیکیشن‌ها انتظار داشته باشیم و موارد مصرف خاصی برای آن تعریف شده‌اند.

با توجه به رویکرد ظریف و منحصربه‌فرد گوگل در زمینه طراحی تراشه، نگاه نزدیک به تراشه تنسور می‌تواند نکات خوبی را هویدا کند و شاید نشانگری از مسیر فعالیت‌های گوگل در آینده باشد.

تراشه تنسور گوگل چیست و چه کاربردی دارد؟

همانطور که در قسمت قبلی اشاره کردیم، تراشه تنسور تنها قطعه‌ای سیلیکون است که توسط گوگل طراحی شده؛ اما نشان‌دهنده مهم‌ترین اولویت‌های این شرکت از جمله یادگیری ماشینی است و روی آن‌ها تمرکز دارد. بدون شک تنسور جهش بزرگی نسبت به تراشه‌های قبلی مورد استفاده توسط گوگل محسوب می‌شود که در میا‌ن‌رده‌های پیکسل ۵ شاهد بودیم. حتی تنسور می‌تواند در بعضی زمینه‌ها رقابت نزدیکی با پرچمداران کوالکام و سامسونگ از خود نشان دهد.

البته عملکرد مشابه در سطح تراشه‌های سامسونگ، اتفاقی نیست؛ زیرا می‌دانیم که گوگل و سامسونگ به صورت مشترک روی طراحی، توسعه و ساخت تراشه تنسور کار می‌کردند. با اینکه هنوز وارد مبحث مشخصات تراشه گوگل نشده‌ایم، اما شایان ذکر است که بسیاری از ویژگی‌های اگزینوس ۲۱۰۰ در آن مورد استفاده قرار گرفته است. پردازشگر گرافیکی و مودم در کنار برخی جنبه‌های معماری مثل فرکانس کاری و مدیریت انرژی از جمله مواردی هستند که در تراشه‌های گوگل و سامسونگ به هم شباهت دارند.

گوگل تاکنون به این موضوع را نپذیرفته؛ اما تراشه تنسور و اگزینوس ۲۱۰۰ شباهت بسیاری دارند.

مشخص است که تغییرات کوچک در سرعت پردازشی، چیزی نیست که امروزه بتواند علاقه‌مندان به گوشی‌های هوشمند را چندان به وجد بیاورد و گوگل می‌توانسته بدون طراحی تراشه مخصوص خود، عملکرد مشابهی را در اختیار کاربران قرار دهد. بسیاری از سازندگان موبایل‌های اندرویدی، از تراشه‌های توسعه یافته توسط سایر تولیدکنندگان استفاده می‌کنند و محصولات آن‌ها از سرعت کافی برخوردار است. اما گوگل تنها به دنبال قدرت پردازشی خام نبوده و سعی داشته با ساخت تراشه تنسور، مزیت‌های دیگری را در اعضای جدید خانواده پیکسل تعبیه کند.

مهم‌ترین قسمت تراشه سفارشی جدید گوگل، همان واحد پردازشی تنسور است که اشاره کوچکی به آن داشتیم. گوگل اعلام کرده تراشه جدید قادر به مدیریت سریع‌تر برخی امور مانند ترجمه همزمان زبان‌ها برای کپشن‌ها یا تبدیل متن به صوت بدون نیاز به اتصال به اینترنت است. همچنین پردازش تصویر و سایر امکانات مرتبط با یادگیری ماشینی مثل ترجمه زنده و تولید خودکار کپشن راحت‌تر توسط تنسور رسیدگی می‌شود. در سوی دیگر امکان اعمال الگوریتم HDRNet گوگل برای اولین بار به لطف تراشه سفارشی در موبایل‌های پیکسل ۶ فراهم شده است و حتی می‌تواند کیفیت‌های 4K با نرخ بروزرسانی تصویر ۶۰ فریم بر ثانیه را نیز پشتیبانی کند.

به طور خلاصه، واحد پردازشی تنسور به گوگل این امکان را می‌دهد تا قابلیت‌های مبتنی بر یادگیری ماشینی را بسیار بهینه‌تر روی گوشی‌های هوشمند اجرا کند و در برخی موارد نیاز به برقراری اتصال ابری جهت انجام پردازش‌ها را از بین می‌برد. حذف ضرورت اتصال به شبکه می‌تواند تاثیر مثبت بسزایی روی میزان شارژدهی دستگاه و عمر باتری آن در بلند مدت داشته باشد و بعضی از نگرانی‌های امنیتی را هم رفع می‌کند. البته گوگل در زمینه بهبود امنیت از تراشه سفارشی دیگری با نام تایتان M2 استفاده کرده است که وظیفه آن، نگهداری و پردازش اطلاعات بسیار حساس کاربر است. رمزگذاری اطلاعات بیومتریک فرد و محافظت از پردازش‌های حیاتی مثل بوت ایمن از جمله عملکردهای تراشه گفته شده هستند که لایه امنیتی اضافی را در محصولات گوگل به همراه خواهند آورد.

تنسور چگونه با سایر تراشه‌ها رقابت می‌کند؟

از ابتدای با خبر شدن رسانه‌ها از تراشه تنسور، مشخص بود که گوگل با خرید مجوز استفاده از هسته‌های پردازشی ARM، قصد استفاده از آن‌ها را در تراشه سفارشی خود خواهد داشت. ساخت یک ریزمعماری جدید از مراحل ابتدایی، امر بسیار دشواری است که به منابع مهندسی عظیمی نیاز دارد و هر شرکتی نمی‌تواند به راحتی از پس آن بربیاید. به همین دلیل با نگاه به مشخصات چندین SoC از سازندگان مختلف مثل سامسونگ و کوالکام و مقایسه آن‌ها با محصول گوگل، می‌توانیم به نقاط اشتراک بسیاری دست پیدا کنیم و اختلافات میان آن‌ها تنها در موارد معدودی خلاصه می‌شود.

تراشه	تنسور گوگل	اسنپدراگون ۸۸۸ کوالکام	اگزینوس ۲۱۰۰ سامسونگ
پردازنده	۲ هسته ۲.۸ گیگاهرتز کورتکس X1 ۲ هسته ۲.۲۵ گیگاهرتز کورتکس A76 ۴ هسته ۱.۸ گیگاهرتز کورتکس A55	۱ هسته ۲.۸۴ گیگاهرتز کورتکس X1 ۳ هسته ۲.۴ گیگاهرتز کورتکس A78 ۴ هسته ۱.۸ گیگاهرتز کورتکس A55	۱ هسته ۲.۹۰ گیگاهرتز کورتکس X1 ۳ هسته ۲.۸ گیگاهرتز کورتکس A78 ۴ هسته ۲.۲ گیگاهرتز کورتکس A55
واحد گرافیک	Arm Mali G78 MP20	Adreno 660	Arm Mali G78 MP14
رم	LPDDR5	LPDDR5	LPDDR5
یادگیری ماشینی	TPU	Hexagon 780 DSP	3x NPU + DSP
مدیا دیکود	H.264, H.265, VP9, AV1	H.264, H.265, VP9	H.264, H.265, VP9, AV1
مودم	4G LTE 5G sub-6Ghz و موج میلی‌متری	4G LTE 5G sub-6Ghz و موج میلی‌متری	4G LTE 5G sub-6Ghz و موج میلی‌متری
فرایند ساخت	۵ نانومتری	۵ نانومتری	۵ نانومتری

همانطور که در جدول بالا قابل مشاهده است، گوگل در بهره‌گیری از هسته‌های قدرتمند سیاست متفاوتی را نسبت به سامسونگ و کوالکام اتخاذ کرده است. اگزینوس ۲۱۰۰ و اسنپدراگون ۸۸۸ تنها از یک هسته کورتکس X1 بهره می‌برند؛ درحالی که تنسور گوگل به دو هسته پرقدرت مجهز شده است. در نتیجه پیکربندی هسته‌ها در تنسور کمی منحصر به‌ فرد است و می‌توان آن را با ترکیب  ۲+۲+۴ (ضعیف، متوسط، قوی) مشخص کرد؛ اما تراشه‌های سامسونگ و کوالکام از ترکیب ۱+۳+۴ استفاده می‌کنند. از لحاظ تئوریک و روی کاغذ، تنسور به دلیل داشتن هسته‌های کورتکس X1 بیشتر می‌تواند عملکرد بهتری در پردازش‌های سنگین (مشابه با آنچه در یادگیری ماشینی شاهد هستیم) داشته باشد.

اگر دقت کرده باشید، استفاده از تعداد بیشتری هسته کورتکس X1 به بهای کاهش تعداد هسته‌های میانی تمام شد است. همچنین گوگل به جای بهره‌گیری از هسته‌های میان‌رده جدیدتر مثل کورتکس A77 و A78، به سراغ نمونه قدیمی‌تر کورتکس A76 رفته است که عملکرد پایین‌تری از خود نشان می‌دهد. برای مقایسه باید اشاره کنیم که اسنپدراگون ۸۸۸ و اگزینوس ۲۱۰۰ از هسته‌های جدیدتر مورد اشاره بهره می‌برند. همچنین کورتکس A76 علاوه‌بر عملکرد ضعیف‌تر، انرژی بیشتری نسبت به دو نمونه دیگر مصرف می‌کند.

تراشه تنسور گوگل دارای پیکربندی هسته‌های متفاوتی نسبت به سایر رقبای خود است که شامل بهره‌گیری از دو هسته قدرتمند کورتکس X1 می‌شود؛ اما همین مسئله محدودیت‌هایی را در سایر بخش‌ها ایجاد کرده است.

تصمیم گوگل مبنی بر فدا کردن هسته‌های میان‌رده با مصرف انرژی کمتر جهت استفاده از یک هسته کورتکس X1 بیشتر، موجب مباحثه و جنجال بسیاری پیش از معرفی پیکسل ۶ شده بود. گوگل تاکنون دلیل خاصی برای استفاده از کورتکس A76 بیان نکرده است؛ اما محتمل به نظر می‌رسد که سامسونگ و گوگل از زمان شروع توسعه تنسور در چهار سال قبل به حقوق معنوی مورد نیاز دسترسی نداشته‌اند. در سوی دیگر ممکن است که این دو شرکت به دلیل محدودیت در فضای قرارگیری قطعات مجبور به اتخاذ چنین تصمیمی شده باشند؛ زیرا هسته‌های کورتکس X1 قضای به نسبت بیشتری اشغال می‌کنند درحالی که کورتکس A76 اندازه کوچک‌تری نسبت به کورتکس A78 دارد و می‌تواند فضای مورد نیاز را جبران کند. همچنین بهره‌گیری از دو هسته قدرتمند، محدودیت‌هایی را در زمینه مصرف انرژی پدید می‌آورد که سیستم دفع حرارتی بهتری را هم طلب خواهد کرد.

گوگل چندان پیرامون تصمیمات صورت گرفته در زمینه طراحی و ساخت تراشه تنسور توضیحی نداده است. البته سرپرست ارشد بخش سیلیکون گوگل در مصاحبه با نشریه Ars Technica اذغان داشته است که آن‌ها با آگاهی کامل نسبت به مشکلات احتمالی اقدام به استفاده از دو هسته کورتکس X1 کرده‌اند و این تصمیم با توجه به اهداف مرتبط با یادگیری ماشینی در نظر گرفته شده برای تراشه اتخاذ شده است.

تراشه سفارشی پیکسل ۶ در زمینه گرافیکی نیز نزدیکی زیادی با اگزینوس ۲۱۰۰ دارد و از واحد پردازش گرافیکی Mali G78 توسعه یافته توسط Arm استفاده می‌کند. البته گوگل از نسخه‌ای قدرتمندتر نسبت به سامسونگ بهره جسته است که شش هسته اضافی نسبت به ۱۴ هسته موجود در اگزینوس ۱۴ دارد و تعداد کلی هسته‌های آن به ۲۰ عدد می‌رسد. همین مسئله افزایش عملکرد ۴۲ درصدی نسبت به تراشه کره‌ای‌ها را روی کاغذ در پی داشته است؛ اگرچه ممکن است این اختلاف در واقعیت به شکل دیگری باشد.

عملکرد تراشه تنسور گوگل چگونه است؟

با وجود برتری واضح تراشه تنسور در جنبه تئوری، متاسفانه شاهد عملکرد چندان متفاوتی نسبت به نسل‌های قبلی نیستیم که احتمال دارد موجب دلسردی برخی علاقه‌مندان به محصولات خانواده پیکسل شود. هیچ شکی نیست که تراشه سفارشی مورد اشاره می‌تواند عملکرد بسیار بهتری در امور مرتبط با یادگیری ماشینی از خود نشان دهد؛ اما بسیاری از کاربری‌های روزمره مثل وبگردی و مشاهده محتواهای گوناگون، اتکای زیادی روی ساختار و شاخه‌های سنتی پردازنده دارد. اگر به نتایج بنچمارک‌ها مراجعه کنید، متوجه خواهید شد که تراشه‌های سامسونگ و کوالکام با هسته‌های کورتکس X1 کمتر، توانسته‌اند برتری اندکی نسبت به تنسور از خود نشان دهند. البته تراشه گوگل همچنان می‌تواند به راحتی از پس امور مختلف برآید و اختلاف گفته شده در واقعیت محسوس نخواهد بود.

در قسمت قبلی گفتیم که گوگل از تعداد هسته‌های بیشتری در واحد پردازش گرافیکی تنسور نسبت به اگزینوس ۲۱۰۰ استفاده کرده است؛ اما این برتری در واقعیت چندان مشاهده نمی‌شود. طبق بنچمارک‌های صورت گرفته، واحد پردازش گرافیکی تنسور تحت امور سنگین دچار استرس گرمایی می‌شود و عدم دفع مناسب حرارت در آن موجب محدودیت پردازشی می‌گردد. ممکن است که تنسور بتواند در بدنه و ساختاری متفاوت با پیکسل ۶، عملکرد بهتری از خود نشان دهد؛ ولی همچنان می‌تواند بیشتر علاقه‌مندان به بازی‌های موبایل را راضی نگه دارد.

البته از همان ابتدا مشخص بود که گوگل برای فتح بنچمارک‌ها و رکوردشکنی اقدام به طراحی تنسور نکرده است. سوال اصلی اینجاست که آیا گوگل توانسته است برتری وعده داده شده در زمینه یادگیری ماشینی را در اختیار کاربران قرار دهید؟ متاسفانه پاسخ به این سوال چندان آسان نیست زیرا معیار و روش سنجش مناسبی در اختیار نداریم. با این حال عملکرد خیره‌کننده دوربین و برخی دیگر از قابلیت‌های پیکسل ۶ توانسته توجه بسیاری را به خود جلب کند. همچنین برخی از بنچمارک‌ها ثابت کرده‌اند که تنسور می‌تواند سایر رقبای خود را در زمینه پردازش زبانی پشت سر بگذارد.

دستاوردهای گوگل با تراشه تنسور چیست؟

بدون شک هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی دو حوزه اصلی فعالیت گوگل در سال‌های اخیر بوده است و شاید بهتر از هر شرکتی می‌تواند در این زمینه‌ها فعالیت کند؛ در نتیجه دور از انتظار نیست که تراشه‌های این شرکت نیز حول همین محور توسعه پیدا کنند. با دقت به تراشه‌های بکار رفته در پرچمداران اخیر اندرویدی متوجه می‌شویم که قدرت خام پردازشی دیگر هدف اصلی سازندگان نیست و توان مدیریت پردازش‌های ناهمگون و بهینه‌سازی شده می‌تواند امکان اجرای اپلیکیشن‌هایی با قابلیت‌های کاملاً جدید را فراهم سازد.

برای اثبات ادعای گفته شده می‌توان به اپل و موفقیت پیاپی سال‌های اخیر آن در آیفون اشاره کرد. این شرکت در نسل‌های اخیر تراشه‌های سفارشی بکار رفته در محصولات خود، تمرکز سنگینی روی قابلیت‌های یادگیری ماشینی داشته است و اکنون در حال چیدن ثمره کار خود با افزودن ویژگی‌های جدید و خلاقانه به iOS و آیفون است.

خروج از حیطه اکوسیستم کوالکام، دستاورد مهم دیگری برای گوگل بوده است. گوگل با انتخاب سفارشی قطعات توانسته کنترل بیشتری روی مسیر تراشه خود داشته باشد که در نهایت به تحقق اهداف در نظر گرفته شده برای محصولات این شرکت منتهی می‌شود. درحالی که کوالکام باید طیف وسیعی از نیازهای سازندگان مختلف را پوشش دهد، گوگل می‌تواند بدون اعتنا به دیگران راه خود را طی کند. اپل سال‌ها قبل به نتیجه‌ای مشابه دست یافت و جهت فراهم کردن بهترین تجربه برای مشتریان خود به سوی استفاده از سخت افزار سفارشی و داخلی حرکت کرد.

اگرچه تراشه تنسور اولین تلاش گوگل برای ساخت قطعات سفارشی محسوب نمی‌شود و پروژه‌های دیگری را هم در گذشته اجرا کرده است؛ اما هیچ‌گاه شاهد نتیجه خاصی از نمونه‌های قبلی نبوده‌ایم. در سوی دیگر قابلیت‌هایی مثل Magic Eraser و RealTone که به لطف تنسور در پیکسل ۶ قرار گرفته‌اند، بسیار ملموس‌تر هستند و جهش‌های چشمگیری نسبت به نسل‌های قبلی محسوب می‌شوند. همچنین به لطف قدرت بیشتر در زمینه‌های مرتبط با یادگیری ماشینی، مصرف انرژی کمتری را در این پردازش‌ها شاهد هستیم. در نتیجه هنگام انجام کارهایی مثل تبدیل صوت به متن یا ترجمه شارژدهی بهینه‌تری را تجربه خواهیم کرد.

بدون در نظر گرفتن قابلیت‌ها و امکانات، استفاده از تراشه سفارشی موجب می‌شود تا گوگل بتواند پشتیبانی و آپدیت‌های طولانی‌تر را نسبت به گذشته فراهم کند. به طور معمول سازندگان دستگاه‌های اندرویدی جهت آپدیت محصولات خود به نسخه‌های جدیدتر، وابسته به تصمیم کوالکام در پشتیبانی از قطعات هستند. سامسونگ و کوالکام سه سال آپدیت سیستم عامل و چهار سال بسته‌های امنیتی را در تراشه‌های خود تضمین می‌کنند؛ اما گوگل در پیکسل ۶ توانسته است با دور زدن کوالکام، پنج سال آپدیت‌های امنیتی را وعده دهد، اما متاسفانه تغییری در زمان آپدیت‌های سیستم عامل ایجاد نکرده است.

آینده پس از تنسور چگونه خواهد بود؟

ساندرای پیچای، مدیرعامل گوگل، اشاره داشته است که توسعه تراشه تنسور برای چهار سال در جریان بوده است. این مسئله نشان می‌دهد که گوگل در زمانی که قابلیت‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی نسبتاً پدیده جدیدی در گوشی‌های هوشمند به شمار می‌رفتند، به سمت آن‌ها حرکت کرده است. البته گوگل همیشه به عنوان پیشگامی در یادگیری ماشینی بوده است و به نظر می‌رسد که سرانجام از محدودیت‌های ناشی از شرکت‌های همکار خود به ستوه آمده است؛ پدیده‌ای که در پروژه‌های Visual Core و Neural Core پیکسل به دفعات تجربه کرده است.

البته کوالکام و سایر تولیدکنندگان تراشه‌های موبایل هم در طی سال‌های اخیر پیشرفت‌های عظیمی داشته‌اند. یادگیری ماشینی، تصویربرداری کامپیوتری و پردازش ناهمگون به جزئی جدایی ناپذیر از امکانات بیشتر تراشه‌های گوشی‌های هوشمند تبدیل شده است و دیگر منحصر به محصولات پرچمدار و پرمیوم نیست. با این حال رویه گوگل در ساخت تنسور نشان می‌دهد که چه تصوری درباره آینده دارند و تنها محدود به یادگیری ماشینی نمی‌شود؛ بلکه نحوه تاثیر طراحی سخت افزار روی تمایز محصولات از هم و قابلیت‌های نرم افزاری را بیان می‌کند.

نسل اول تراشه تنسور نتوانست رکورد جدیدی در زمینه پردازش‌های سنتی به جای بگذارد؛ اما نسل‌های بعدی می‌توانند نویدبخش آینده متفاوتی برای گوشی‌های هوشمند باشند. در حال حاضر شایعاتی پیرامون نسل دوم تنسور و استفاده از هسته‌های جدید کورتکس X2 در آن به گوش می‌رسد؛ در نتیجه ممکن است که شاهد قابلیت‌های تصویربرداری پیشرفته‌تر در کنار توان پردازش بیشتر در یادگیری ماشینی باشیم.