داستان AM4؛ چگونه AMD سازگاری سوکت پردازنده‌های خود را از ۲۸ به ۷ نانومتر رساند

AMD چندی پیش و در رویداد‌های کامپیوتکس ۲۰۱۹ و E3 2019، نسل جدید پردازنده‌های دسکتاپ و کارت‌های گرافیک خود را معرفی کرد که تمامی آن‌ها بر پایه‌ی لیتوگرافی ۷ نانومتری تولید می‌شوند. اما در این بین برخی موارد کمتر از قابلیت‌هایی مانند افزایش تعداد هسته فرکانس کاری یا حتی معماری پردازنده‌ها، توجه جلب می‌کنند. شاید بتوان هنر اصلی AMD را در توسعه‌ی سوکت مادربرد AM4 دید؛ جایی که با تلاش فراوان و تغییرات ساختاری طراحی خود موفق به سازگاری پردازنده‌های جدید ۱۶ هسته‌ای ۷ نانومتری شده است. این در حالی است که AM4 در ابتدا برای پشتیبانی از انواع چهارهسته‌ای ۲۸ نانومتری (بریستول‌ریج) قدیمی AMD طراحی شده بود.

AMD با آغاز طراحی چیپلت از نسل نخست پردازنده‌های رایزن، اکنون پیشتاز این زمینه به حساب می‌آید. این پردازنده‌ها بخش I/O جداگانه‌ای نداشتند، اما آینده‌نگری AMD باعث شد تا آن‌ها به سراغ قرار دادن هسته‌های پردازشی در بسته‌ای جداگانه و اتصال آن‌ها به سایر بخش‌ها با رابطی به‌نام Infinity Fabric بروند. این موضوع پیشرفت زیادی در ماژولار بودن پردازنده‌ محسوب می‌شود. اما چالش بزرگ‌تر پیش‌روی AMD‌ در طراحی و تولید نسل اول رایزن‌ها، سازگار کردن پین‌های پردازنده با آرایش جدید ۸ هسته‌ای پردازنده در مقایسه با نمونه‌ی ۴ هسته‌ای و ۲۸ نانومتری پیشین بود. در آن زمان AMD مهاجرت به لیتوگرافی ۷ نانومتری را نیز در نظر گرفته بود.

در ابتدا باید در نظر داشته باشید که امکان تغییر شرایط کاری و سفارشی‌سازی عملکرد هر پین وجود ندارد. قابلیت بهینه‌سازی سوکت‌ها نیز در دسترس بود اما هر تغییری در آن منجر به از بین رفتن پشتیبانی مادربرد‌های جدید از پردازنده‌های پیشین AMD‌ می‌شد.

پیش‌تر و در معماری +Zen، هر یک از بخش‌های حاوی هسته‌ها (Core Complex) با کاهشی ۴۷ درصدی، مساحتی برابر با ۶۰ میلی‌متری مربع داشتند؛ ۴۴ میلی‌متری مربع برای هسته‌‌ها و ۱۶ میلی‌متر مربع برای ۸ مگابایت حافظه‌ی سطح سوم کش. ترکیب دو Core Complex با کنترلر حافظه، خطوط PCIe، چهار اتصال IF و سایر ورود‌ی و خروجی‌ها منجر به مساحت ۲۱۳ میلی‌متری کلی چیپ می‌شد. اما در Zen 2 هر چیپلت ابعادی برابر با ۷۴ میلی‌متر مربع دارد که ۳۱.۳ میلی‌متر مربع آن مربوط‌به محفظه‌ی هسته‌ها و ۱۶ مگابایت حافظه‌ی L3 است. پیش‌بینی می‌شود نیمی از این فضا (۳۱.۳ میلی‌متر مربع) مربوط‌به حافظه‌ی L3 باشد. اما کاهش قابل‌توجه ابعاد Core Complex در پردازنده‌های Zen 2 به‌دلیل نبود نیاز به کنترلر حافظه و ورودی و خروجی‌ها است؛ تمامی این اجزا در بخشی جداگانه و تحت عنوان ماژول I/O تعبیه شده‌اند. این موضوع به AMD برای کاهش قابل‌توجه بخش حاوی هسته‌ها کمک شایانی کرده است که شاید در نسل‌های آتی با افزایش حافظه‌ی نسل سوم، این بخش فضای بیشتری در مقایسه با خود هسته‌ها اشغال کند.

AMD برای حل چالش‌های موجود در سازگاری پردازنده‌های نسل سوم رایزن با سوکت AM4 این زمینه اقدام به کاهش ابعاد پایه بامپ‌ (فاصله‌ی بین گلوله‌های روی سیلیکون و چیپ) از ۱۵۰ به ۱۳۰ میکرومتر کرد. برای رسیدن به این منظور، AMD چاره‌ای جز مهاجرت از بامپ‌های سنتی بدون سرب به نمونه‌های مدرنی که با نام ستون‌های مسی شناخته می‌شوند، نداشت. شاید این تغییر چندان زیاد به نظر نرسد، اما بد نیست بدانید که تنها دو تأمین‌کننده در حال حاضر در جهان فناوری مذکور را در اختیار دارند. راه‌حل دیگر استفاده از سیلیکونی بزرگ‌تر است که خروجی آن جز طراحی متفاوت سوکت نخواهد بود.

AMD برای ماژول‌های ۱۲ نانومتری I/O از همان بامپ‌های ۱۵۰ میکرومتری بهره می‌برد. اما بخش‌های شامل هسته‌ها که با لیتوگرافی ۷ نانومتری تولید می‌شوند، از بامپ‌هایی با ابعاد پایه‌ی ۱۳۰ میکرومتر بهره می‌برند. البته این موضوع منجر به تفاوت ارتفاع بخش‌های مختلف پردازنده می‌شود که AMD‌ برای حل این چالش نیازمند تعیین ابعاد دقیق ستون‌های مسی برای تراز شدن ارتفاع نهایی تمام بخش‌های مختلف پردازنده است. همچنین غول دنیای پردازنده‌ها برای پشتیبانی از نسل چهارم PCIe برای اولین‌بار به استفاده از مواد جدیدی (در دنیای پردازنده‌ها) روی آورد که به‌گفته‌ی خود قماری بود که البته پاسخ مطلوبی داشت.

همان‌گونه که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، دو بلوک‌ شامل هسته‌ها (در بخش بالایی پردازنده) به بخش I/O متصل شده‌اند. ماژول I/O وظیفه‌ی کنترل حافظه را نیز برعهده داشته و طبق تصویر، حالتی مشابه با نیروگاه تأمین توان Core Complex‌ها دارد. نکته‌ی جالب در این خصوص، نبودن ارتباط مستقیم بین هر یک از بخش‌های حاوی هسته‌ها با یکدیگر است. ارتباط این دو بخش با هم توسط همان واحد I/O انجام خواهد شد.

بهبود‌های مذکور تنها فاز اول برای دستیابی به طراحی چیپلت بوده است. این سبک از طراحی و ساخت پردازنده‌ها پدیده‌ای بسیار جدید محسوب می‌شود که تنها توسط AMD به‌کار رفته است. یکی از چالش‌های اصلی این روش ساخت پردازنده، توسعه‌ی رابط‌هایی برای اتصال بخش‌های مختلف پردازنده است؛ جایی که AMD و اینتل با سابقه‌ی زیادی خود در توسعه‌ی این دسته از رابط‌ها، توانایی تعبیه‌ی بلوک‌های مختلف در یک پردازنده و اتصال ‌آن‌ها به یکدیگر را با تأخیر بسیار اندک دارند. به مرور زمان سازندگان بیشتری به توسعه‌ی این زبان طراحی روی خواهند آورد تا شاهد تعبیه‌ی بلوک‌های مختلفی با جنس و لیتوگرافی ساخت مختلف در یک پردازنده باشیم.

پردازنده‌های نسل سوم رایزن AMD مثالی عالی از زبان طراحی چیپلت است. در این نسل، چیپلت‌ها بر بستر نود ۷ نانومتری، بخش I/O با لیتوگرافی ۱۲ نانومتری (درواقع نمونه‌ی بهینه‌‌شده‌ی ۱۴ نانومتری با تغییراتی در قوانین طراحی و کتابخانه‌ها) و خود تراشه با فناوری ساخت ۱۴ نانومتری تولید شده است.

AMD‌ در حال حاضر، زمانی برای پایان عمر سوکت AM4 و برنامه‌ی خود برای معرفی نمونه‌ی جدیدتر (احتمالا با نام AM5) جهت استفاده‌ی نسل‌های آتی رایزن اعلام نکرده است. این شرکت در همین راستا، پیش‌تر از برنامه‌ی خود برای پشتیبانی AM4 تا سال ۲۰۲۰ خبر داده بود؛ اما اطلاعاتی درباره‌ی برنامه‌های آتی خود منتشر نکرده است.

اخیرا اخباری مبنی‌بر معرفی حافظه‌های DDR5 تا پایان سال ۲۰۱۹ شنیده شده که به‌معنی عرضه‌ و تجاری‌سازی آن‌ها در سال ۲۰۲۱ است. بدین ترتیب بعید نیست AMD سال آینده از سوکت جدید خود برای بهینه‌‌کردن چینش مدار‌ها و پشتیبانی مناسب از نسل جدید حافظه‌های DRAM رونمایی کند.