تراشه A14 اپل زیر میکروسکوپ؛ با نخستین تراشه پنج نانومتری دنیا بیشتر آشنا شوید

آی سی مسترز (ICmasters) شرکتی در حوزه‌ی مهندسی معکوس قطعات نیمه‌هادی و خدمات IP است که معمولا پردازند‌ه‌ها را موشکافانه بررسی می‌کند. آی سی مسترز به‌تازگی سراغ بررسی اولیه‌ی سیستم-روی-چیپ ای ۱۴ بایونیک اپل (A14 Bionic) رفته که در گوشی‌های سری آیفون ۱۲ و تبلت آیپد ایر ۲۰۲۰ استفاده شده است‌. آی سی مسترز به‌منظور بررسی دقیق تراشه‌ی جدید اپل از میکروسکوپ الکترونی عبوری موسوم‌ به TEM بهره گرفت.

گزارش مفصلی که خبرگزاری SemiAnalysis نوشته است، از ابعاد دای (Die) و تراکم ترانزیستورهای تراشه‌ی A14 Bionic پرده برداشت. این نوع اطلاعات داده‌هایی همچون توانایی‌های فناوری‌های تولیدی و برخی از معیارهایی را برای ما مشخص می‌کند که تولیدکنندگان تراشه در اولویت قرار می‌دهند. آیا تصویری از ابعاد دای A14 می‌تواند ایده‌ای اولیه درباره‌ی نحوه‌ی عملکرد تراشه‌های اختصاصی اپل برای رایانه‌ها را در ذهن ما ایجاد کند؟ 

تراشه‌ی A14 Bionic اپل از ۱۱٫۸ میلیارد ترانزیستور تشکیل شده است و نخستین تراشه‌ی موبایلی دنیا محسوب می‌شود که در آن، از لیتوگرافی پنج نانومتری شرکت صنایع نیمه‌هادی تایوان (TSMC) استفاده شده است. در این تراشه‌ی اپل از ۶ هسته‌ی عمومی استفاده شده که خود متشکل از دو هسته‌ی قدرتمند فایراستورم (FireStorm) و چهار هسته‌ی کم‌مصرف آیس‌استورم (IceStorm) است. افزون‌براین، واحد پردازش گرافیکی (GPU) تراشه‌ی A14 اپل طراحی چهار کلاستری (Cluster) دارد و در این تراشه از موتور عصبی ۱۶ هسته‌ای با قدرت ۱۱ تاپس (TOPS) به‌کار رفته است.

کیفیت تصویری که آی سی مسترز منتشر کرده، چندان پروضوح نیست؛ بااین‌حال با انجام برخی محاسبات، می‌توانیم به این نتیجه برسیم که مجموعه‌ی دوهسته‌ای فایراستورم به‌همراه حافظه‌ی کش سطح دوم (L2 Cache) بزرگ حدودا ۹٫۱ میلی‌مترمربع است. همچنین طبق بررسی‌ها، ترکیب مجموعه‌ی چهارهسته‌ای آیس‌استورم با حافظه‌ی کش L2 به ابعاد تقریبا ۶٫۴۴ میلی‌مترمربع می‌رسد و واحد پردازش گرافیکی به‌تنهایی حدودا ۱۱٫۶۵ میلی‌مترمربع از سطح تراشه را اشغال می‌کند. می‌دانیم اپل در سال‌های گذشته از سیستم یکپارچه‌ی کش در تراشه‌هایش استفاده کرده است؛ باوجوداین، سخت است بخواهیم این سیستم یکپارچه را روی عکس پیدا کنیم.

برای مشاهده‌ی تصویر بالا در ابعاد اصلی روی آن کلیک کنید.

براساس داده‌های منتشرشده‌ی SemiAnalyis، میانگین تراکم ترانزیستورهای تراشه‌ی A14 Bionic برابربا ۱۳۴٫۰۹ میلیون ترانزیستور در هر میلی‌مترمربع از سطح تراشه است که این عدد برای تراشه‌ی A13 Bionic اپل ۸۹٫۹۷ میلیون ترانزیستور به‌ازای هر میلی‌مترمربع بود. با درنظرگرفتن این حقیقت که تولیدکنندگان قطعات نیمه‌هادی هنگام محاسبه‌ی تراکم ترانزیستورها سراغ روش‌های مختلف می‌روند، هرگز نمی‌توانیم تراکم ترانزیستورها روی تراشه‌های پنج نانومتری TMSC با تراشه‌های ۱۰ نانومتری اینتل (تقریبا ۱۰۰ میلیون ترانزیستور در هر میلی‌مترمربع) را دقیقا با یکدیگر مقایسه کنیم؛ زیرا این نوع مقایسه دقت کافی را ندارد.

تراکم ترانزیستور برای ساختارهای متنوع تراشه‌ها متفاوت است. ساختارهای منطقی (Logic) می‌توانند به‌خوبی با همه‌ی لیتوگرافی‌های جدید مطابقت پیدا کنند؛ بااین‌حال، این گفته برای ساختارهای SRAM و I/O و آنالوگ صدق نمی‌کند و تراشه‌های مذکور در دنیای امروز به‌سختی می‌توانند با لیتوگرافی‌های پیشرفته نظیر پنج نانومتری انطباق پیدا کنند.

همین موضوع باعث می‌شود عددی که شرکت‌هایی مثل TSMC هنگام رونمایی لیتوگرافی‌های جدیدش به حداکثر تراکم ترانزیستور نسبت می‌دهند، تا حد زیادی تئوری باشد و در عمل نتوان به آن دست پیدا کرد. درواقع، تراکم ترانزیستور در دنیای واقعی به نوع تراشه و نحوه‌ی طراحی آن وابستگی مستقیم دارد.

طراحی پردازنده‌های پیشرفته روی SRAM متمرکز است؛ زیرا از SRAM برای ثبات (Register) و کش پردازنده استفاده می‌شود. SRAM برای دسترسی به ثبات و کش پردازنده به قطعات متصل‌کننده و مدار‌بندی نیازمند است و قطعات متصل‌کننده‌ای که به آن‌ها اشاره کردیم، در اکثر مواقع به‌خوبی با کل مجموعه سازگاری پیدا نمی‌کنند. با درنظرگرفتن این حقیقت که تمامی تراشه‌های پیشرفته انواع مختلفی از هسته‌های پردازشی را دارند، این تراشه‌ها از حافظه‌ی کش زیادی هم بهره می‌گیرند.

افزون‌براین، بخش‌هایی از تراشه لازم است با سرعت کلاک بیشتر از بخش‌های دیگر فعالیت کنند (هسته‌های عمومی منظور است). این بخش‌های تراشه می‌توانند برای دستیابی به قدرت پردازشی بیشتر، سراغ استفاده از سلول‌های پرقدرت با ابعاد معمولا بزرگ بروند و تراکم ترانزیستور را قربانی کنند.

اپل در تراشه‌های سری A روی ارائه‌ی قدرت پردازشی فراوان مانور ویژه می‌دهد و با درنظرگرفتن همین موضوع، تراشه‌هایی که اپل طراحی می‌کند، معمولا از کش‌های بزرگی برخوردار هستند. بزرگ‌بودن حافظه‌ی کش تراشه‌ی A14 تا حدی براساس عکسی تأیید می‌شود که آی سی مسترز منتشر کرده است. همچنین، اپل بهینه‌سازی‌های دیگری روی عملکرد تراشه‌هایش اعمال می‌کند.

فراموش نکنید Speedometer 2.0 بنچمارکی است که روی مرورگرها تمرکز می‌کند و پاسخ‌دهی اپلیکیشن‌های تحت‌وب را با شبیه‌سازی اقدامات عادی اندازه‌گیری می‌کند که کاربر ممکن است در دنیای واقعی انجام دهد و درنهایت امتیازی به تراشه می‌دهد.

امتیازاتی که Speedometer 2.0 در نظر می‌گیرد، هرگز نمی‌تواند اطلاعات دقیقی از نحوه‌ی عملکرد تراشه‌ها در وظایف کاری پیچیده به ما ارائه دهد؛ وظایفی که به‌طور خاص برای تراشه‌های مدرن x86 بهینه‌سازی شده‌اند. بااین‌همه، امتیاز Speedometer 2.0 حداکثر قدرت تئوری تراشه را تا حدی اعلام می‌کند و ایده‌هایی از آن به ذهن ما می‌دهد. تا حدی خاص، می‌توان بنچمارک Speedometer 2.0 را به مسابقه‌ی تعیین شتاب در خودرو‌رانی (Drag Race) تشبیه کرد؛ اما برای رایانه‌های پیشرفته.

حال کهبا ساختار تراشه‌ی A14 Bionic بهتر آشنا شدیم، به سؤال مطرح‌شده در ابتدای مقاله برمی‌گردیم: آیا این تراشه می‌تواند ایده‌هایی از نحوه‌ی عملکرد اپل سیلیکون در رایانه‌های سری مک به ما بدهد؟ اپل بیش از یک دهه است که تراشه‌ی اختصاصی می‌سازد و از آن‌ها در محصولاتی متنوع، از گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها گرفته تا ساعت‌های هوشمند و اخیرا پوشیدنی‌ها و هدفون‌ها، استفاده می‌کند.

بررسی چند سال اخیر نشان می‌دهد اپل هر زمان که به‌دنبال افزایش قدرت پردازشی تبلت‌های آیپد پرو و آیپد ایر بوده، تصمیم گرفته است تعداد هسته‌های پردازنده‌ی به‌کاررفته در آن‌ها را افزایش دهد و واحد پردازش گرافیکی بهتری درون آن‌ها تزریق کند. افزون‌براین‌ در سال‌های گذشته، اپل حافظه‌ی بیشتر با رابط وسیع‌تر را در تراشه‌ی آیپد پرو و آیپد ایر قرار داد و تصمیم گرفت سیستم پیشرفته‌تری به‌منظور پراکنده‌سازی گرمای ناشی از فعالیت تراشه‌ها طراحی کند.

گرچه درحال‌حاضر همه‌چیز در حد حدس و‌گمان است، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که اپل شیوه‌ی مشابهی برای طراحی تراشه‌ی اپل سیلیکونِ مخصوص مک برپایه‌ی A14 در پیش بگیرد. اپل سیلیکون در نوت بوک‌ها و رایانه‌های دسکتاپ اپل به‌کار می‌رود و هسته‌ و حافظه‌ی بیشتر و سیستم خنک‌کننده‌ی کارآمدتر خواهد داشت و قطعا تغییرات دیگری نیز به خود خواهد دید. 

با وجود تمامی این ارتقاها، انتظار داریم ابعاد دای تراشه‌ی دسکتاپ اپل شبیه به مدل‌های  پرچم‌دار از تراشه‌های سری Ice Lake-U اینتل باشد که کوچک‌تر از تراشه‌های جدید نسل یازدهمی Tiger Lake-U اینتل هستند. 

در همایش WWDC 2020، اپل صرفا گفت که در بازه‌ی زمانی دوساله قصد دارد استفاده از تراشه‌های اینتل را کنار بگذارد و سراغ استفاده از تراشه‌های اختصاصی مبتنی‌بر معماری آرم برود. از آن زمان تاکنون، جزئیات دیگری درباره‌ی اپل سیلیکون منتشر نشده است و صرفا می‌دانیم که اپل سیلیکون قرار است از همان معماری به‌کاررفته در دیگر تراشه‌های شرکت، یعنی آرم، بهره ببرد. در ابتدا، برخی تحلیلگران گفته بودند ممکن است تراشه‌های یادشده با نام تراشه‌‌های سری A برای مک ها (A-Series for Macs) خطاب شوند؛ اما درنهایت خود شرکتِ کوپرتینویی آن‌‌ها را اپل سیلیکون خطاب کرد. 

درحال‌حاضر، انتظار داریم اپل سیلیکون درمقایسه‌با A14 Bionic هسته‌ی CPU و GPU بیشتری داشته باشد و ازلحاظ ابعاد، چندان بزرگ‌تر نشود. اپل هرگز نگفته است که قصد دارد از هسته‌های پرقدرت مخصوص تراشه‌های موبایل برای تراشه‌ی اپل سیلیکون بهره گیرد؛ بنابراین، هرآنچه گفتیم، فعلا در حد حدس‌و‌گمان است.

دیدگاه شما کاربران زومیت درباره‌ی این مقاله چیست؟