نوآوري انقلابي دنياي سخت‌افزار؛ حذف مادربرد و استفاده از قطعه سيليكوني واحد

بهبود قدرت و كارايي پردازنده‌هاي اصلي و گرافيكي، از مهم‌ترين چالش‌هاي روز دنياي پردازش محسوب مي‌شود. توليدكننده‌هاي نيمه‌هادي در سرتاسر جهان با اين چالش روبه‌رو هستند و همچنين طراحان CPU و GPU در رفع آن تمام تلاش خود را به كار مي‌گيرند. تا به امروز هيچ‌گونه راهكار اعجاب‌انگيز يا آساني براي بهبود سريع‌تر كارايي پردازنده‌ها ارائه نشده است، اما شركت‌ها انواع راهكارهاي جايگزين را مطرح كرده‌اند. از ميان راهكارها مي‌توان به انواع جديد مونتاژ قطعات سخت‌افزاري اشاره كرد.

فناوري‌هايي همچون HBM، چيپلت، فناوري جديد اينتل به‌نام 3D Interconnect، راهكارهاي ديگر همچون Foveros و بسياري مثال‌هاي متعدد، از تلاش‌هايي هستند كه فعالان صنعت براي بهبود اتصال تراشه‌ها مطرح مي‌كنند. درواقع آن‌ها به‌جاي تلاش براي بهبود كارايي از طريق بهبود طراحي و ساخت خود تراشه‌ها، سعي در افزايش سرعت و كارايي با بهبود اتصال‌ها دارند.

پردازش در مقياس ويفر ايده‌ي استفاده از يك ويفر سيليكوني كامل را براي ساخت يك قطعه‌ي بزرگ سخت‌افزاري (مثلا GPU) مطرح مي‌كند. گروه محققان در مقاله‌ي خود ادعا كردند كه با اين روش مي‌توان به نتايج بهتري در فاكتورهاي بازده، كارايي و مصرف انرژي دست يافت. آن‌ها نتايج انديشه متخصصيني خود را با فاكتورهاي ساخت پردازنده‌هاي گرافيكي مجزا با استفاده از روش‌هاي مرسوم مقايسه كردند. گروه محققان در ابتداي مقاله‌ي خود به چالش‌هاي استفاده از مادربرد در سيستم‌هاي كامپيوتري اشاره مي‌كنند. آن‌ها مواردي همچون نياز به نصب تراشه‌ي فيزيكي در فضايي ۲۰ برابر بزرگ‌تر از پردازنده‌ي مركزي اشاره كردند. شايان ذكر است، ابعاد اصلي پردازنده هميشه بسيار كوچك‌تر از قطعه‌ي فيزيكي هستند كه تراشه‌ روي آن نصب مي‌شود.

محققان مي‌گويند استفاده از قطعات مونتاژي براي تراشه‌ها (كه امروزه براي نصب تراشه روي PCB انجام مي‌شود) فضاي حركت سيگنال‌هاي تراشه به تراشه را به مقدار ۱۰ برابر افزايش مي‌دهد. درنتيجه سرعت و حافظه با مانع بزرگي روبه‌رو مي‌شوند. همين چالش، بخشي از اشكال بزرگي در دنياي سخت‌افزار به‌نام «ديوار حافظه» يا «Memory Wall» محسوب مي‌شود. كلاك حافظه‌هاي رم و كارايي آن‌ها با سرعت بسيار پايين‌تري نسبت به پردازنده‌ها بهبود يافته است. بخش از سرعت پايين نيز به جانمايي دورتر رم نسبت به پردازنده‌ي اصلي مربوط مي‌شود.

فرايند HBM‌ براي حل چالش بالا مطرح شد و پهناي باند رم بسيار بالايي را ارائه مي‌كند. در اين رويكرد فاصله‌ي رم با CPU كاهش پيدا مي‌كند و مسيرهاي عريض‌تري براي عبور سيگنال در اختيار حافظه‌ خواهد بود.

محققان ادعا مي‌كنند كه اينترپوزرهاي (Interposer) سيليكوني راهكاري غلط براي ارتباط قطعات سخت‌افزاري هستند. آن‌ها به‌جاي اين رويكرد، پياده‌سازي همه‌ي قطعات از پردازنده، حافظه، آنالوگ، RF و ديگر چيپلت‌ها را به‌صورت مستقيم روي يك ويفر پيشنهاد مي‌دهند. درنتيجه قطعات به‌جاي محدود شدن اتصال در پايه‌هاي لحيم‌كاري، از ستون‌هاي مسي در ابعاد ميكرومتر استفاده مي‌كنند كه به‌صورت مستقيم در ماده‌ي سيليكوني قرار مي‌گيرد. پورت‌هاي ورودي و خروجي تراشه‌ها نيز با فشار گرمايي و اتصال مس به مس به‌صورت مستقيم در همان لايه‌ي سيليكوني اجرا خواهند شد. درنهايت براي خنك‌كردن قطعات نيز مي‌توان هيت‌سينك را در دو طرف Si-IF نصب كرد. قطعا سيليكون بهتر از PCB گرما را منتقل مي‌كند.

همان‌طور كه گفته شد، راهكارهاي كنوني دشواري‌هاي جديدي براي مقياس‌دهي كارايي پردازنده‌ها ايجاد مي‌كنند. درنتيجه راهكارهاي جايگزين همچون موضوع مقاله‌ي حاضر مطرح مي‌شود. درواقع امروز مفاهيم سنتي مقياس‌دهي مور/دنارد كاراي ندارند؛ مفاهيمي كه تراشه‌ها را با عبارت «كوچك‌تر، سريع‌تر و ارزان‌تر» در مسير پيشرفت تعريف مي‌كردند. امروز قطعا مي‌توان اثبات كرد كه جايگزيني PCB با ماده‌اي بهتر منجر به مقياس‌دهي بسيار بزرگ در كارايي و قدرت (حداقل در برخي موارد) مي‌شود.

سيستم‌هاي مبتني بر مقياس ويفر قطعا تا آينده‌ي نه‌چندان مشخص براي متخصصان خانگي گران‌ارزش خواهند بود. البته مي‌توان پيش‌بيني كرد كه سرورها به‌مرور از اين فناوري استفاده كنند. شركت‌هايي همچون مايكروسافت، آمازون و گوگل ميلياردها دلار در پروژه‌هاي پردازش قوي تحت خدمات ابري سرمايه‌گذاري مي‌كنند. درنتيجه كامپيوترهاي مبتني بر ويفرهاي بزرگ احتمالا در ديتاسنترهاي صنعتي زودتر از جاهاي ديگر ديده مي‌شوند. به‌هرحال نتايج تحقيقاتي روي بهبود كاراي پردازنده‌هاي مركزي و گرافيكي، محتمل بودن سناريو را بيش‌ازپيش مي‌كند.

پيش از هر تصميم‌گيري و اظهارانديشه متخصصين درباره‌ي آينده‌ي كامپيوترهاي شخصي تحت تأثير فناوري جديد، بايد بدانيم كه اكوسيستم كامپيوتر شخصي تنها محدود به كارايي و قدرت پردازش نيست. كامپيوترهاي شخصي و خصوصا انواع روميزي با هدف و مأموريت انعطاف‌پذيري و ماژولار بودن طراحي شدند تا در موقعيت‌هاي متفاوت، كارايي داشته باشند.

امروز اكثر متخصصان كامپيوترهاي شخصي براي افزايش كارايي دستگاه‌هاي خود، آن‌ها را به‌روزرساني مي‌كنند. مواردي همچون اضافه كردن پورت‌هاي اتصال، بهبود پردازنده‌هاي گرافيكي و مركزي و افزايش حافظه‌ي رم، از اقدام‌هاي رايج در اكوسيستم كامپيوتر شخصي محسوب مي‌شوند. درواقع متخصصان در زمان‌‌هاي نياز به به‌روزرساني، به‌جاي خريد سيستم‌هاي جديد كامل، تنها قطعات مورد نياز را تغيير مي‌دهند. همين قابليت‌هاي انعطافي باعث كاهش ارزش كامپيوترهاي شخصي هم مي‌شود و آن‌ها را به انتخاب‌هايي عالي براي وظايف گوناگون تبديل مي‌كند.

صنعت نيمه‌هادي درحال حاضر در مسيري تقريبا مخالف ايده‌ي مذكور حركت مي‌كند؛ به‌عنوان مثال براي ساختن قطعه‌ي سيليكوني واحد با همه‌ي قطعات پردازشي و حافظه‌اي، شايد بتوان سيستم‌هايي با پردازنده‌ي AMD و پردازنده‌ي گرافيكي Nvidia متصور شد. اما درنهايت براي ساخت محصول نهايي بايد همكاري بي‌سابقه‌اي بين شركت‌هاي توليدكننده‌ي تراشه (مانند TSMC، گلوبال فاندريز و سامسونگ) با شركت‌هاي سازنده‌ي پردازنده و قطعات ديگر صورت بگيرد.

فعالان حوزه‌ي نيمه‌هادي احتمالا انديشه متخصصيناتي بلندمدت به ايده‌ي ساخت يكپارچه‌ي سيستم‌ها خواهند داشت. البته متخصص كارشناسان پيش‌بيني مي‌كنند چنين رويكردي هيچ‌گاه جايگزين كامپيوترهاي شخصي سنتي نمي‌شود. مزاياي ارتقا و انعطاف‌پذيري اين اكوسيستم بسيار بالا است و از لحاظ اقتصادي نيز نكات مهمي دارد. البته ارائه‌دهنده‌هاي بزرگ خدمات ديتاسنتر، احتمالا از گزينه‌ي Si-IF در طولاني‌مدت استفاده خواهند كرد. درنهايت قانون مور نمي‌تواند پاسخ‌هاي مورد نياز شركت‌ها را ارائه كند. شايد از بين رفتن مفهوم مادربرد ايده‌اي ساختارشكن محسوب مي‌شود، اما در صورت اجرايي شدن، قطعا طرفداران خاص خود را خواهد داشت.