نوآوری انقلابی دنیای سخت‌افزار؛ حذف مادربرد و استفاده از قطعه سیلیکونی واحد

بهبود قدرت و کارایی پردازنده‌های اصلی و گرافیکی، از مهم‌ترین چالش‌های روز دنیای پردازش محسوب می‌شود. تولیدکننده‌های نیمه‌هادی در سرتاسر جهان با این چالش روبه‌رو هستند و همچنین طراحان CPU و GPU در رفع آن تمام تلاش خود را به کار می‌گیرند. تا به امروز هیچ‌گونه راهکار اعجاب‌انگیز یا آسانی برای بهبود سریع‌تر کارایی پردازنده‌ها ارائه نشده است، اما شرکت‌ها انواع راهکارهای جایگزین را مطرح کرده‌اند. از میان راهکارها می‌توان به انواع جدید مونتاژ قطعات سخت‌افزاری اشاره کرد.

فناوری‌هایی همچون HBM، چیپلت، فناوری جدید اینتل به‌نام 3D Interconnect، راهکارهای دیگر همچون Foveros و بسیاری مثال‌های متعدد، از تلاش‌هایی هستند که فعالان صنعت برای بهبود اتصال تراشه‌ها مطرح می‌کنند. درواقع آن‌ها به‌جای تلاش برای بهبود کارایی از طریق بهبود طراحی و ساخت خود تراشه‌ها، سعی در افزایش سرعت و کارایی با بهبود اتصال‌ها دارند.

پردازش در مقیاس ویفر ایده‌ی استفاده از یک ویفر سیلیکونی کامل را برای ساخت یک قطعه‌ی بزرگ سخت‌افزاری (مثلا GPU) مطرح می‌کند. گروه محققان در مقاله‌ی خود ادعا کردند که با این روش می‌توان به نتایج بهتری در فاکتورهای بازده، کارایی و مصرف انرژی دست یافت. آن‌ها نتایج نظری خود را با فاکتورهای ساخت پردازنده‌های گرافیکی مجزا با استفاده از روش‌های مرسوم مقایسه کردند. گروه محققان در ابتدای مقاله‌ی خود به چالش‌های استفاده از مادربرد در سیستم‌های کامپیوتری اشاره می‌کنند. آن‌ها مواردی همچون نیاز به نصب تراشه‌ی فیزیکی در فضایی ۲۰ برابر بزرگ‌تر از پردازنده‌ی مرکزی اشاره کردند. شایان ذکر است، ابعاد اصلی پردازنده همیشه بسیار کوچک‌تر از قطعه‌ی فیزیکی هستند که تراشه‌ روی آن نصب می‌شود.

محققان می‌گویند استفاده از قطعات مونتاژی برای تراشه‌ها (که امروزه برای نصب تراشه روی PCB انجام می‌شود) فضای حرکت سیگنال‌های تراشه به تراشه را به مقدار ۱۰ برابر افزایش می‌دهد. درنتیجه سرعت و حافظه با مانع بزرگی روبه‌رو می‌شوند. همین چالش، بخشی از مشکل بزرگی در دنیای سخت‌افزار به‌نام «دیوار حافظه» یا «Memory Wall» محسوب می‌شود. کلاک حافظه‌های رم و کارایی آن‌ها با سرعت بسیار پایین‌تری نسبت به پردازنده‌ها بهبود یافته است. بخش از سرعت پایین نیز به جانمایی دورتر رم نسبت به پردازنده‌ی اصلی مربوط می‌شود.

فرایند HBM‌ برای حل چالش بالا مطرح شد و پهنای باند رم بسیار بالایی را ارائه می‌کند. در این رویکرد فاصله‌ی رم با CPU کاهش پیدا می‌کند و مسیرهای عریض‌تری برای عبور سیگنال در اختیار حافظه‌ خواهد بود.

محققان ادعا می‌کنند که اینترپوزرهای (Interposer) سیلیکونی راهکاری غلط برای ارتباط قطعات سخت‌افزاری هستند. آن‌ها به‌جای این رویکرد، پیاده‌سازی همه‌ی قطعات از پردازنده، حافظه، آنالوگ، RF و دیگر چیپلت‌ها را به‌صورت مستقیم روی یک ویفر پیشنهاد می‌دهند. درنتیجه قطعات به‌جای محدود شدن اتصال در پایه‌های لحیم‌کاری، از ستون‌های مسی در ابعاد میکرومتر استفاده می‌کنند که به‌صورت مستقیم در ماده‌ی سیلیکونی قرار می‌گیرد. پورت‌های ورودی و خروجی تراشه‌ها نیز با فشار گرمایی و اتصال مس به مس به‌صورت مستقیم در همان لایه‌ی سیلیکونی اجرا خواهند شد. درنهایت برای خنک‌کردن قطعات نیز می‌توان هیت‌سینک را در دو طرف Si-IF نصب کرد. قطعا سیلیکون بهتر از PCB گرما را منتقل می‌کند.

همان‌طور که گفته شد، راهکارهای کنونی دشواری‌های جدیدی برای مقیاس‌دهی کارایی پردازنده‌ها ایجاد می‌کنند. درنتیجه راهکارهای جایگزین همچون موضوع مقاله‌ی حاضر مطرح می‌شود. درواقع امروز مفاهیم سنتی مقیاس‌دهی مور/دنارد کارای ندارند؛ مفاهیمی که تراشه‌ها را با عبارت «کوچک‌تر، سریع‌تر و ارزان‌تر» در مسیر پیشرفت تعریف می‌کردند. امروز قطعا می‌توان اثبات کرد که جایگزینی PCB با ماده‌ای بهتر منجر به مقیاس‌دهی بسیار بزرگ در کارایی و قدرت (حداقل در برخی موارد) می‌شود.

سیستم‌های مبتنی بر مقیاس ویفر قطعا تا آینده‌ی نه‌چندان مشخص برای کاربران خانگی گران‌قیمت خواهند بود. البته می‌توان پیش‌بینی کرد که سرورها به‌مرور از این فناوری استفاده کنند. شرکت‌هایی همچون مایکروسافت، آمازون و گوگل میلیاردها دلار در پروژه‌های پردازش قوی تحت خدمات ابری سرمایه‌گذاری می‌کنند. درنتیجه کامپیوترهای مبتنی بر ویفرهای بزرگ احتمالا در دیتاسنترهای صنعتی زودتر از جاهای دیگر دیده می‌شوند. به‌هرحال نتایج تحقیقاتی روی بهبود کارای پردازنده‌های مرکزی و گرافیکی، محتمل بودن سناریو را بیش‌ازپیش می‌کند.

پیش از هر تصمیم‌گیری و اظهارنظر درباره‌ی آینده‌ی کامپیوترهای شخصی تحت تأثیر فناوری جدید، باید بدانیم که اکوسیستم کامپیوتر شخصی تنها محدود به کارایی و قدرت پردازش نیست. کامپیوترهای شخصی و خصوصا انواع رومیزی با هدف و مأموریت انعطاف‌پذیری و ماژولار بودن طراحی شدند تا در موقعیت‌های متفاوت، کارایی داشته باشند.

امروز اکثر کاربران کامپیوترهای شخصی برای افزایش کارایی دستگاه‌های خود، آن‌ها را به‌روزرسانی می‌کنند. مواردی همچون اضافه کردن پورت‌های اتصال، بهبود پردازنده‌های گرافیکی و مرکزی و افزایش حافظه‌ی رم، از اقدام‌های رایج در اکوسیستم کامپیوتر شخصی محسوب می‌شوند. درواقع کاربران در زمان‌‌های نیاز به به‌روزرسانی، به‌جای خرید سیستم‌های جدید کامل، تنها قطعات مورد نیاز را تغییر می‌دهند. همین قابلیت‌های انعطافی باعث کاهش قیمت کامپیوترهای شخصی هم می‌شود و آن‌ها را به انتخاب‌هایی عالی برای وظایف گوناگون تبدیل می‌کند.

صنعت نیمه‌هادی درحال حاضر در مسیری تقریبا مخالف ایده‌ی مذکور حرکت می‌کند؛ به‌عنوان مثال برای ساختن قطعه‌ی سیلیکونی واحد با همه‌ی قطعات پردازشی و حافظه‌ای، شاید بتوان سیستم‌هایی با پردازنده‌ی AMD و پردازنده‌ی گرافیکی Nvidia متصور شد. اما درنهایت برای ساخت محصول نهایی باید همکاری بی‌سابقه‌ای بین شرکت‌های تولیدکننده‌ی تراشه (مانند TSMC، گلوبال فاندریز و سامسونگ) با شرکت‌های سازنده‌ی پردازنده و قطعات دیگر صورت بگیرد.

فعالان حوزه‌ی نیمه‌هادی احتمالا دیدگاهی بلندمدت به ایده‌ی ساخت یکپارچه‌ی سیستم‌ها خواهند داشت. البته کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند چنین رویکردی هیچ‌گاه جایگزین کامپیوترهای شخصی سنتی نمی‌شود. مزایای ارتقا و انعطاف‌پذیری این اکوسیستم بسیار بالا است و از لحاظ اقتصادی نیز نکات مهمی دارد. البته ارائه‌دهنده‌های بزرگ خدمات دیتاسنتر، احتمالا از گزینه‌ی Si-IF در طولانی‌مدت استفاده خواهند کرد. درنهایت قانون مور نمی‌تواند پاسخ‌های مورد نیاز شرکت‌ها را ارائه کند. شاید از بین رفتن مفهوم مادربرد ایده‌ای ساختارشکن محسوب می‌شود، اما در صورت اجرایی شدن، قطعا طرفداران خاص خود را خواهد داشت.