پنج شنبه 2 آذر 1396 | به روز شده: 19 دقیقه قبل

HAMSHAHRIONLINE

The online version of the Iranian daily Hamshahri
ISSN 1735-6393
جمعه 19 آبان 1396 - 00:22:08 | کد مطلب: 387809 چاپ

سفر به قلب گوشی‌های هوشمند

ارتباطات > ارتباطات و فناوری - همشهری آنلاین:
کوالکام تولیدکننده‌ی SoCهای اسنپ‌دراگون است که در بسیاری از گوشی‌های هوشمند مدرن از آن‌ها استفاده می‌شود

به‌تازگی هوآوی از جدیدترین پرچمدار خود، یعنی «میت ۱۰» (Mate 10) رونمایی کرده است که از آخرین تراشه‌ی هوآوی، یعنی «Kirin 970» استفاده می‌کند

تراشه‌ای که در نوع خود اهمیتی ویژه دارد، زیرا نخستین تراشه‌ی موبایلی به حساب می‌آید که به یک «واحد پردازش عصبی» یا «NPU» مخصوص پردازش‌های مرتبط با هوش مصنوعی مجهز شده است.

ممکن است پیش از این با نام‌های «اسنپ‌دراگون» (Snapdragon) و «کرین» (Kirin) آشنا شده باشید، اما شاید ندانید تعداد هسته‌ها و عدد و رقم‌هایی که در مورد قدرت پردازشی این تراشه‌ها اعلام می‌شود، دقیقا چه معنایی دارد و چطور باید این تراشه‌ها را با یکدیگر مقایسه کرد.

در این شماره به صورت اختصاصی سراغ تراشه‌های موبایلی رفته‌ایم تا مرجعی مناسب برای درک بهتر مشخصات فنی تراشه‌های گوشی‌های هوشمند مدرن فراهم کنیم.

در آخر هم سراغ Kirin 970 خواهیم رفت که شاید آغازگر موج تازه‌ای در زمینه‌ی هوش مصنوعی و تراشه‌های موبایلی باشد.

بیایید پیش از هر چیز ببینیم «تراشه» یا «چیپست» (chipset) چیست؟ همان‌طور که از عنوان انگلیسی برمی‌آید، «chipset» در واقع مجموعه‌ای از «تراشه‌ها» (چیپ‌ها)ست که وظیفه‌ی آن مدیریت اطلاعات و داده‌هایی است که بین اجزای داخلی سیستم -مانند پردازنده‌ی مرکزی، حافظه یا رم، فضای ذخیره‌سازی- و قسمت‌های ورودی و خروجی رد و بدل می‌شوند.

در کامپیوترهای دسکتاپ (که قدرت پردازشی آن از طریق «سی‌پی‌یو» تامین می‌شود) این سخت‌افزار تاثیری حیاتی در تجربه‌ی کاربری ندارد، اما در گوشی‌های هوشمند با داستان کاملا متفاوتی روبه‌رو هستیم.

اگر بخواهیم سخت‌افزار گوشی هوشمندمان را با سخت‌افزار یک کامپیوتر معمولی مقایسه کنیم، آن وقت باید بگوییم تراشه یا چیپست گوشی شامل سی‌پی‌یو و چندین جزء دیگر است.

برای درک بهتر می‌توانید فرض کنید مادربورد، سی‌پی‌یو و کارت گرافیک کامپیوترتان به اندازه‌ی یک تمبر پستی کوچک شوند. این همان چیزی است که با اصطلاح «سیستم روی یک تراشه» (System-on-a-chip یا SoC) شناخته می‌شود.

در یک گوشی هوشمند یا تبلت مدرن، چیپست يا تراشه (که از نظر فنی بهتر است آن را «سیستم روی یک تراشه» یا SoC بنامیم) میزبان بيشتر اجزای مهم سخت‌افزاری است و به ندرت بخش سخت‌افزاری مهمی در بیرون از آن باقی می‌ماند.

درست است که این توضیح بیش از حد ساده‌سازی شده، اما واقعیت این است که یک SoC مدرن «کوالکام» (Qualcomm) یا «مدیا تک» (Media Tek) نه فقط سی‌پی‌یو و «جی‌پی‌یو» (GPU، واحد پردازش گرافیکی) را در بر دارد، بلکه مودم‌های مختلف، حسگرها، فناوری‌های مربوط به ناوبری و ارتباطات، کنترلرها و کانال‌های داده (کانال‌هایی متصل به رم، حافظه‌ی ذخیره‌سازی و حسگرهای دوربین و اثر انگشت) را هم شامل می‌شود و این تازه آغاز ماجراست.

فضای فیزیکی محدود، قدرت پردازشی بالا و محدودیت‌های حرارتی باعث شده است قوانین بازی تراشه‌هاي مخصوص دستگاه‌های همراه تغییر کند و سطح نوآوری در این زمینه به حدی برسد که هرگز در کامپیوترهای شخصی شاهد آن نبوده‌ایم.

برای نمونه، در بسیاری از گوشی‌های قدیمی حتی مودم خارج از تراشه و به صورت مستقل وجود داشت.

امروزه پیشرفت‌های مرتبط با جنگ بی‌پایان با محدودیت‌های «فرم فاکتور» (form factor) گوشی هوشمند، کار را به جایی رسانده که مهندسان سامسونگ راه‌حلی در قالب طراحی «ePOP» (embedded package-on-package) ارائه کرده‌اند که در آن نه فقط مودم، بلکه اجزایی مانند رم و حافظه‌ی ذخیره‌سازی هم روی تراشه‌ی اصلی قرار می‌گیرند.

قرار گرفتن اجزای سخت‌افزاری در کنار یکدیگر، به جز صرفه‌جویی در فضا، مزیت‌های دیگری هم دارد.

مزیت‌هایی مانند امکان استفاده از کانل‌های ارتباطی کوتاه‌تر و بهینه‌تر و همچنین تخصیص دقیق‌تر منابع پردازشی. وجه منفی این راه حل هم مشخص است

تولید گرمای بیشتر. برای یافتن نقطه‌ی تعادلی مناسب برای هر کاربرد و متناسب با هر دستگاه، تلاش زیادی لازم است.

تلاش برای یافتن این نقطه‌ی تعادل است که برخی مسائل دیگر را در مورد تراشه‌های مدرن پیش می‌آورد؛ مسائلی مانند فرایندی که برای تولید چنین تراشه‌هايي باید طی شود.

  • فرایند تولید

در بحث نیمه‌رساناها و تراشه‌هایی که با استفاده از آن‌ها ساخته می‌شوند، باید به این نکته دقت کرد که همه‌ی آن‌ها رفتار و ویژگی‌های حرارتی مشابهی دارند.

این مسئله یکی از دلایلی است که باعث می‌شود فشرده کردن تعداد زیادی ترانزیستور در یک فضای کوچک منجر به ناپایداری شود.

استفاده از اجزای بهتر، معماری پیشرفته‌تر و طراحی بهینه‌تر،راه‌حل‌هاي براي اين مساله به شمار می‌آیند. ولی به نظر می‌رسد بهینه‌سازی فرایند تولید بهترین و ملموس‌ترین نتایج را در پی داشته باشد.

در این فناوری، مدارهای الکترونیکی روی یک سطح نیمه‌رسانا به نام «ویفر سیلیکونی» (silicon wafer) ایجاد می‌شوند.

این فرایند بسیار پیچیده است و شامل چندین مرحله‌ «فوتولیتوگرافی» (photolithographic) و فرایندهای شیمیایی می‌شود و در کارخانه‌های خاصی انجام می‌گیرد که با عنوان «fab» شناخته می‌شوند. مهم‌ترین مسئله‌ی این فرایند ساخت، مسئله‌ی اندازه است.

مهندسان با کوچک‌تر کردن این فرایند ساخت، توانسته‌اند اجزای بیشتری روی یک فضای محدود و مشخص جا بدهند یا این‌که چیدمان این اجزا را بهینه‌تر کنند.

این فناوری ساخت از سال ۱۹۷۱ (۱۳۵۰) تا کنون به مرور کوچک‌تر شده و از ۱۰ پیکومتر به ۱۰ نانومتر رسیده است و به نظر می‌رسد این کوچک‌سازی بتواند تا حد پنج نانومتر هم ادامه یابد، بدون آن‌که محدودیت‌های فیزیکی مزاحمتی ایجاد کند. انتظار می‌رود فناوری ساخت پنج نانومتری تا سال ۲۰۲۰ (۱۳۹۹) در دسترس مهندسان باشد.

اما این‌ها با تراشه‌های گوشی‌های هوشمندمان چه ارتباطی دارد؟ در حقیقت، آن فضای اضافی که با کوچک‌تر کردن پردازنده حاصل می‌شود، می‌تواند برای بهبود عملکرد پردازش کامپیوتری و بهینه‌سازی مصرف انرژی به کار گرفته شود.

  • معماری و امکانات سخت‌افزاری

در این زمینه دو شرکت مهم در رقابت با یکدیگرند که هر‌کدام طراحی و معماری خودشان را برای تراشه‌های خود دارند. یکی از این شرکت‌ها «ARM» است.

شرکت مهم دیگر اینتل است که معماری x86 را دارد که از آن برای پردازنده‌های کامپیوترهای دسکتاپ و پردازنده‌های موبایلی استفاده می‌شود. شرکت ARM در طراحی‌هایش همواره اولویت را به دستگاه‌های همراه یا موبایل داده است و بر خلاف اینتل، خودش هیچ تراشه‌ای تولید نمی‌کند.

در حقیقت، کسب‌وکار این شرکت توسعه دادن طراحی‌های جدید و فروختن این فناوری‌ها به تولیدکنندگان دیگر است. تراشه‌ی بيشتر گوشی‌های هوشمند امروزی (مانند اسنپ‌دراگون‌های کوالکام، تراشه‌های MT شرکت مدیاتِک، «Exynos» سامسونگ و همچنین تراشه‌های سری A اپل) بر اساس معماری ARM ساخته شده‌اند.

ARM معماری‌های گوناگونی (از ARMv1 گرفته تا ARMv8-A) توسعه داده و بر اساس هرکدام از این معماری‌ها، هسته‌ای خاص طراحی کرده است.

برخی از این هسته‌ها (مانند سری Cortex-M) واجد خصوصیات میکروکنترلر هستند و کار برخی دیگر (مانند Cortex-R) پردازش همزمان است، اما آن نوع هسته‌هایی که برای ما اهمیت دارد، هسته‌هایCortex-Aاست که اغلب برای استفاده در پردازنده‌ی اصلی گوشی و تبلت توسعه داده می‌شوند.

تراشه‌های مبتنی بر معماری ARM در مقایسه با تراشه‌های اینتل معمولا مصرف انرژی بسیار بهینه‌تری دارند و گرمای کمتری تولید می‌کنند.

ولی از نظر عملکرد پردازشی، تراشه‌های ARM در رده‌ی پایین‌تری از تراشه‌های مشابه با معماری x86 اینتل قرار می‌گیرند. با این حال، تراشه‌های ARM در زمینه‌های دیگر، مانند «کدگشایی سخت‌افزاری ویدئو» (hardware video decoding) عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

کدگشایی سخت‌افزاری ویدئو هم عبارت از این است که فرایند پردازش ویدئو به جای واحد پردازش مرکزی یا «سی‌پی‌یو»، به عهده‌ی واحد پردازش گرافیکی یا «جی‌پی‌یو» گذاشته می‌شود.

برتری معماری ARM در این زمینه شاید به خاطر پایین بودن قدرت پردازشی خالص سی‌پی‌یو باشد، ولی واقعیت این است که بیشتر تراشه‌های ARM در این زمینه بهتر از تراشه‌های اینتل هم‌رده‌ی خود عمل می‌کنند و قیمت پایین‌تری هم دارند.

بد نیست به این نکته هم اشاره کنیم که در سال‌های اخیر، از معماری‌های اینتل کمتر برای تراشه‌های گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود و بيشتر گوشی‌های هوشمند مهم بازار از معماری ARM استفاده می‌کنند.

منبع:همشهري دانستنيها