تراشه A14 اپل زير ميكروسكوپ؛ با نخستين تراشه پنج نانومتري دنيا بيشتر آشنا شويد
آي سي مسترز (ICmasters) شركتي در حوزه‌ي مهندسي معكوس قطعات نيمه‌هادي و خدمات IP است كه معمولا پردازند‌ه‌ها را موشكافانه مطالعه مي‌كند. آي سي مسترز به‌تازگي سراغ مطالعه اوليه‌ي سيستم-روي-چيپ اي ۱۴ بايونيك اپل (A14 Bionic) رفته كه در موبايل‌هاي سري آيفون ۱۲ و تبلت آيپد اير ۲۰۲۰ استفاده شده است. آي سي مسترز به‌منظور مطالعه دقيق تراشه‌ي جديد اپل از ميكروسكوپ الكتروني عبوري موسوم به TEM بهره گرفت.
گزارش مفصلي كه خبرگزاري SemiAnalysis نوشته است، از ابعاد داي (Die) و تراكم ترانزيستورهاي تراشه‌ي A14 Bionic پرده برداشت. اين نوع اطلاعات داده‌هايي همچون توانايي‌هاي فناوري‌هاي توليدي و برخي از معيارهايي را براي ما مشخص مي‌كند كه توليدكنندگان تراشه در اولويت قرار مي‌دهند. آيا تصويري از ابعاد داي A14 مي‌تواند ايده‌اي اوليه درباره‌ي نحوه‌ي عملكرد تراشههاي اختصاصي اپل براي رايانه‌ها را در ذهن ما ايجاد كند؟
تراشه‌ي A14 Bionic اپل از ۱۱٫۸ ميليارد ترانزيستور تشكيل شده است و نخستين تراشه‌ي موبايلي دنيا محسوب مي‌شود كه در آن، از ليتوگرافي پنج نانومتري شركت صنايع نيمه‌هادي تايوان (TSMC) استفاده شده است. در اين تراشه‌ي اپل از ۶ هسته‌ي عمومي استفاده شده كه خود متشكل از دو هسته‌ي قدرتمند فايراستورم (FireStorm) و چهار هسته‌ي كم‌مصرف آيس‌استورم (IceStorm) است. افزون‌براين، واحد پردازش گرافيكي (GPU) تراشه‌ي A14 اپل طراحي چهار كلاستري (Cluster) دارد و در اين تراشه از موتور عصبي ۱۶ هسته‌اي با قدرت ۱۱ تاپس (TOPS) به‌كار رفته است.
ابعاد Die پردازنده‌ي A14 Bionic اپل ۸۸ ميلي‌مترمربع است
همچنين، اپل در تراشه‌ي پيشرفته‌اش از چندين شتا‌ب‌دهنده‌ي تخصصي استفاده كرده است تا A14 Bionic قدرت پردازشي چشمگيري براي انجام انواع كارها داشته باشد. براساس مطالعه‌هاي آي سي مسترز، ابعاد داي پردازنده‌ي اي ۱۴ بايونيك ۸۸ ميلي‌مترمربع (mm۲) است؛ درحالي‌كه نسل قبلي آن، يعني A13 Bionic، از داي ۹۸٫۴۸ ميلي‌مترمربعي استفاده مي‌كرد.
كيفيت تصويري كه آي سي مسترز منتشر كرده، چندان پروضوح نيست؛ بااين‌حال با انجام برخي محاسبات، مي‌توانيم به اين نتيجه برسيم كه مجموعه‌ي دوهسته‌اي فايراستورم به‌همراه حافظه‌ي كش سطح دوم (L2 Cache) بزرگ حدودا ۹٫۱ ميلي‌مترمربع است. همچنين طبق مطالعه‌ها، تركيب مجموعه‌ي چهارهسته‌اي آيس‌استورم با حافظه‌ي كش L2 به ابعاد تقريبا ۶٫۴۴ ميلي‌مترمربع مي‌رسد و واحد پردازش گرافيكي به‌تنهايي حدودا ۱۱٫۶۵ ميلي‌مترمربع از سطح تراشه را اشغال مي‌كند. مي‌دانيم اپل در سال‌هاي گذشته از سيستم يكپارچه‌ي كش در تراشه‌هايش استفاده كرده است؛ باوجوداين، سخت است بخواهيم اين سيستم يكپارچه را روي عكس پيدا كنيم.
براي مشاهده‌ي تصوير بالا در ابعاد اصلي روي آن كليك كنيد.
براساس داده‌هاي منتشرشده‌ي SemiAnalyis، ميانگين تراكم ترانزيستورهاي تراشه‌ي A14 Bionic برابربا ۱۳۴٫۰۹ ميليون ترانزيستور در هر ميلي‌مترمربع از سطح تراشه است كه اين عدد براي تراشه‌ي A13 Bionic اپل ۸۹٫۹۷ ميليون ترانزيستور به‌ازاي هر ميلي‌مترمربع بود. با درانديشه متخصصينگرفتن اين حقيقت كه توليدكنندگان قطعات نيمه‌هادي هنگام محاسبه‌ي تراكم ترانزيستورها سراغ روش‌هاي مختلف مي‌روند، هرگز نمي‌توانيم تراكم ترانزيستورها روي تراشههاي پنج نانومتري TMSC با تراشههاي ۱۰ نانومتري اينتل (تقريبا ۱۰۰ ميليون ترانزيستور در هر ميلي‌مترمربع) را دقيقا با يكديگر مقايسه كنيم؛ زيرا اين نوع مقايسه دقت كافي را ندارد.
تراكم ترانزيستور تراشه‌ي A14 Bionic اپل به‌نوعي كمتر از بيشترين تراكم ترانزيستوري است كه ليتوگرافي پنج نانومتري TSMC مي‌تواند ازلحاظ تئوري ارائه دهد. براي رخداد اين اتفاق مي‌توان چند توضيح ذكر كرد.
تراكم ترانزيستور براي ساختارهاي متنوع تراشه‌ها متفاوت است. ساختارهاي منطقي (Logic) مي‌توانند به‌خوبي با همه‌ي ليتوگرافي‌هاي جديد مطابقت پيدا كنند؛ بااين‌حال، اين گفته براي ساختارهاي SRAM و I/O و آنالوگ صدق نمي‌كند و تراشههاي مذكور در دنياي امروز به‌سختي مي‌توانند با ليتوگرافي‌هاي پيشرفته نظير پنج نانومتري انطباق پيدا كنند.
همين موضوع باعث مي‌شود عددي كه شركت‌هايي مثل TSMC هنگام رونمايي ليتوگرافي‌هاي جديدش به حداكثر تراكم ترانزيستور نسبت مي‌دهند، تا حد زيادي تئوري باشد و در عمل نتوان به آن دست پيدا كرد. درواقع، تراكم ترانزيستور در دنياي واقعي به نوع تراشه و نحوه‌ي طراحي آن وابستگي مستقيم دارد.
طراحي پردازنده‌هاي پيشرفته روي SRAM متمركز است؛ زيرا از SRAM براي ثبات (Register) و كش پردازنده استفاده مي‌شود. SRAM براي دسترسي به ثبات و كش پردازنده به قطعات متصل‌كننده و مدار‌بندي نيازمند است و قطعات متصل‌كننده‌اي كه به آنها اشاره كرديم، در اكثر مواقع به‌خوبي با كل مجموعه سازگاري پيدا نمي‌كنند. با درانديشه متخصصينگرفتن اين حقيقت كه تمامي تراشههاي پيشرفته انواع مختلفي از هسته‌هاي پردازشي را دارند، اين تراشه‌ها از حافظه‌ي كش زيادي هم بهره مي‌گيرند.
افزون‌براين، بخش‌هايي از تراشه لازم است با سرعت كلاك بيشتر از بخش‌هاي ديگر فعاليت كنند (هسته‌هاي عمومي منظور است). اين بخش‌هاي تراشه مي‌توانند براي دستيابي به قدرت پردازشي بيشتر، سراغ استفاده از سلول‌هاي پرقدرت با ابعاد معمولا بزرگ بروند و تراكم ترانزيستور را قرباني كنند.
اپل در تراشههاي سري A روي ارائه‌ي قدرت پردازشي فراوان مانور ويژه مي‌دهد و با درانديشه متخصصينگرفتن همين موضوع، تراشه‌هايي كه اپل طراحي مي‌كند، معمولا از كش‌هاي بزرگي برخوردار هستند. بزرگ‌بودن حافظه‌ي كش تراشه‌ي A14 تا حدي براساس عكسي تأييد مي‌شود كه آي سي مسترز منتشر كرده است. همچنين، اپل بهينه‌سازي‌هاي ديگري روي عملكرد تراشه‌هايش اعمال مي‌كند.
ميانگين تراكم ترانزيستور تراشه‌ي A14 Bionic اپل ۱۳۴٫۰۹ ميليون ترانزيستور در هر ميلي‌مترمربع از سطح تراشه است
نخستين آمار مربوط به عملكرد تراشه‌ي A14 Bionic اپل كه در بنچمارك Speedometer 2.0 ثبت شده‌اند، نشان مي‌دهند كه اين تراشه ازلحاظ تئوري مي‌تواند ۵۴ درصد سريع‌تر از تراشه‌ي هشت‌هسته‌اي Intel Core i9 ظاهر شود كه در مك بوك پرو عرضه‌شده در اواخر ۲۰۱۹ به‌كار رفته است.
فراموش نكنيد Speedometer 2.0 بنچماركي است كه روي مرورگرها تمركز مي‌كند و پاسخ‌دهي اپليكيشن‌هاي تحت‌وب را با شبيه‌سازي اقدامات عادي اندازه‌گيري مي‌كند كه متخصص ممكن است در دنياي واقعي انجام دهد و درنهايت امتيازي به تراشه مي‌دهد.
امتيازاتي كه Speedometer 2.0 در انديشه متخصصين مي‌گيرد، هرگز نمي‌تواند اطلاعات دقيقي از نحوه‌ي عملكرد تراشه‌ها در وظايف كاري پيچيده به ما ارائه دهد؛ وظايفي كه به‌طور خاص براي تراشههاي مدرن x86 بهينه‌سازي شده‌اند. بااين‌همه، امتياز Speedometer 2.0 حداكثر قدرت تئوري تراشه را تا حدي اعلام مي‌كند و ايده‌هايي از آن به ذهن ما مي‌دهد. تا حدي خاص، مي‌توان بنچمارك Speedometer 2.0 را به مسابقه‌ي تعيين شتاب در خودرو‌راني (Drag Race) تشبيه كرد؛ اما براي رايانه‌هاي پيشرفته.
آشنايي با A14 Bionic مي‌تواند ايده‌ي اوليه‌ي اپل سيليكون را در ذهن ما ايجاد كند؟
حال كهبا ساختار تراشه‌ي A14 Bionic بهتر آشنا شديم، به سؤال مطرح‌شده در ابتداي مقاله برمي‌گرديم: آيا اين تراشه مي‌تواند ايده‌هايي از نحوه‌ي عملكرد اپل سيليكون در رايانه‌هاي سري مك به ما بدهد؟ اپل بيش از يك دهه است كه تراشه‌ي اختصاصي مي‌سازد و از آنها در محصولاتي متنوع، از موبايل‌هاي هوشمند و تبلت‌ها گرفته تا ساعت‌هاي هوشمند و اخيرا پوشيدني‌ها و هدفون‌ها، استفاده مي‌كند.
مطالعه چند سال اخير نشان مي‌دهد اپل هر زمان كه به‌دنبال افزايش قدرت پردازشي تبلت‌هاي آيپد پرو و آيپد اير بوده، تصميم گرفته است تعداد هسته‌هاي پردازنده‌ي به‌كاررفته در آنها را افزايش دهد و واحد پردازش گرافيكي بهتري درون آنها تزريق كند. افزون‌براين در سال‌هاي گذشته، اپل حافظه‌ي بيشتر با رابط وسيع‌تر را در تراشه‌ي آيپد پرو و آيپد اير قرار داد و تصميم گرفت سيستم پيشرفته‌تري به‌منظور پراكنده‌سازي گرماي ناشي از فعاليت تراشه‌ها طراحي كند.
گرچه درحال‌حاضر همه‌چيز در حد حدس و‌گمان است، مي‌توانيم انتظار داشته باشيم كه اپل شيوه‌ي مشابهي براي طراحي تراشه‌ي اپل سيليكونِ مخصوص مك برپايه‌ي A14 در پيش بگيرد. اپل سيليكون در نوت بوك‌ها و رايانه‌هاي دسكتاپ اپل به‌كار مي‌رود و هسته و حافظه‌ي بيشتر و سيستم خنك‌كننده‌ي كارآمدتر خواهد داشت و قطعا تغييرات ديگري نيز به خود خواهد ديد.
با قضاوت از روي ابعاد مجموعه‌هسته‌هاي فايراستورم و البته واحد پردازش گرافيكي، اپل ازلحاظ تئوري مي‌تواند تعداد هسته‌هاي پرقدرت و كلاسترهاي GPU را دوبرابر كند، بدون اينكه مجبور باشد ابعاد داي A14 Bionic را افزايش محسوسي دهد. شكي نداريم كه اپل براي دستيابي به اين هدف بايد حتما ساب‌سيستم حافظه‌ي A14 را بهبود بخشد و اين يعني احتمالا به اضافه‌كردن كانال حافظه‌ي ۶۴ بيتي جديد و حافظه‌ي كش بهتر نياز پيدا مي‌كند.
با وجود تمامي اين ارتقاها، انتظار داريم ابعاد داي تراشه‌ي دسكتاپ اپل شبيه به مدل‌هاي پرچم‌دار از تراشههاي سري Ice Lake-U اينتل باشد كه كوچك‌تر از تراشههاي جديد نسل يازدهمي Tiger Lake-U اينتل هستند.
در همايش WWDC 2020، اپل صرفا گفت كه در بازه‌ي زماني دوساله قصد دارد استفاده از تراشههاي اينتل را كنار بگذارد و سراغ استفاده از تراشههاي اختصاصي مبتني‌بر معماري آرم برود. از آن زمان تاكنون، جزئيات ديگري درباره‌ي اپل سيليكون منتشر نشده است و صرفا مي‌دانيم كه اپل سيليكون قرار است از همان معماري به‌كاررفته در ديگر تراشههاي شركت، يعني آرم، بهره ببرد. در ابتدا، برخي تحليلگران گفته بودند ممكن است تراشههاي يادشده با نام تراشههاي سري A براي مك ها (A-Series for Macs) خطاب شوند؛ اما درنهايت خود شركتِ كوپرتينويي آنها را اپل سيليكون خطاب كرد.
درحال‌حاضر، انتظار داريم اپل سيليكون درمقايسه‌با A14 Bionic هسته‌ي CPU و GPU بيشتري داشته باشد و ازلحاظ ابعاد، چندان بزرگ‌تر نشود. اپل هرگز نگفته است كه قصد دارد از هسته‌هاي پرقدرت مخصوص تراشههاي موبايل براي تراشه‌ي اپل سيليكون بهره گيرد؛ بنابراين، هرآنچه گفتيم، فعلا در حد حدس‌و‌گمان است.
انديشه متخصصينات شما متخصصان اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران درباره‌ي اين مقاله چيست؟
هم انديشي ها