چیپلت ها الزاما قانون مور را احیا نمی کنند

قانون مور در سال‌های اخیر با چالش‌ها و نمونه‌هایی خارج از پیش‌بینی‌ها روبه‌رو شد؛ اما برخی تصویر کردند شاید چیپلت‌ها موجب احیای مجدد آن شوند.

از زمانی‌که مفهوم چیپلت (Chiplet) در دنیای فناوری و خصوصا بخش سخت‌افزار و نیمه‌هادی‌ها مطرح شد، بحث و تبادل نظر پیرامون مفهوم و کارایی آن‌‌ها نیز اوج گرفت. مقاله‌های متعددی ادعا می‌کنند چیپلت‌ها با پیشرفتی عمیق همراه هستند که امکان بازگشت به دوران خوش پیشین در دنیای پردازنده‌ها و مقیاس‌دهی و افزایش کارایی در هر نسل را فراهم می‌کنند. در تعریف ساده باید بدانید که چیپلت نوعی تراشه با ساختاری با امکان مونتاژ محسوب می‌شود که در ترکیب با تراشه‌ی مشابه، پردازنده‌ی قوی‌تری را ایجاد می‌کند.

تصور اینکه چیپلت‌ها منجر به بازگشت به دوران قانون مور می‌شوند، دو اشکال اساسی دارد. اول اینکه باوجود غلط نبودن ذاتی فرضیه، شاهد نادیده گرفتن برخی از جزئیات ارتباط این تراشه‌ها با قانون مور هستیم. درواقع چنین نتیجه‌گیری‌هایی، از تصور ساده پیرامون ساختار چیپلت و ارتباط آن با قانون مور ایجاد می‌شود. به‌علاوه، بررسی چیپلت‌ها براساس اصول قانون مور، برخی از ایده‌های عالی پشت آن‌ها و کاربردهای آتی را از بین می‌برد. در ادامه، هر چالش را جداگانه بررسی می‌کنیم.

تاریخ دنیای پردازش با تاریخ ادغام (یکپارچه‌سازی) عملکردها و توابع، یکسان است. درواقع عبارت مدار مجتمع (Integrated Circuit) تاریخچه‌ی طولانی‌مدت از بهبود کارایی کامپیوترها را به یاد ما می‌آورد که با نزدیک‌تر ساختن قطعات مدار به یکدیگر، ممکن می‌شد. امروزه شاهد یکپارچه‌سازی انواع قطعات و بخش‌ها از FPU و کش CPU و کنترلر حافظه تا پردازنده‌ی گرافیکی و خطوط PCIe و کنترلرهای I/O در یک قالب تکی هستیم.

چیپلت‌‌ها در ذات خود، روندی برعکس یکپارچه‌سازی را در پیش گرفته‌اند. در تولید و طراحی آن‌ها، تراشه‌های یکپارچه به بلوک‌های عملکردی مجزا تقسیم می‌شوند. تقسیم‌بندی بلوک‌‌ها نیز براساس قابلیت مقیاس‌دهی آن‌ها در آینده انجام می‌شود. به‌عنوان مثال، در روندی که AMD در پیش گرفته است، عملگرهای I/O و کانال‌های DRAM تراشه، در قالبی ۱۴ نانومتری تولید گلوبال‌فاندریز و براساس قوانین طراحی ۱۲ نانومتری ساخته شده‌اند. درحالیکه چیپلت‌های واقعی شامل هسته‌های CPU و کش L3 در ابعادی کوچک‌تر و براساس نود پردازشی جدید TSMC تولید شده‌اند.

پیش از اینکه فناوری تولید هفت نانومتری در بازار تولید تراشه پیاده‌سازی شود، نیازی به چیپلت‌ها نداشتیم. درواقع در آن زمان ساختن یکپارچه‌ی تراشه، بازدهی بهتری نسبت به تجزیه‌ی آن داشت و هزینه‌های انتقال قدرت و تأخیر بیشتر در ارتباط را ایجاد نمی‌کرد. اکنون باتوجه به شرایط موجود می‌توان دو نتیجه‌گیری را برای چیپلت در نظر گرفت:

آیا چیپلت‌ها با هدایت روندهای طراحی به‌سمت نقاط مهم، موجب بهبود مقیاس‌دهی تراشه‌ها می‌شوند؟ بله.

آیا تولید چیپلت، مرحله‌ای جدید را به فرایند تولید تراشه اضافه می‌کند که قبلا نیازی به آن نداشتیم؟ بله.

توسعه و طراحی چیپلت‌ها نشان می‌دهد که مهندسان چقدر خوب می‌توانند روش‌هایی جدید برای بهبود کارایی پیدا کنند. به‌علاوه با نگاهی به همین روند متوجه می‌شویم که برخی اوقات ادامه دادن به بهبود کارایی و قدرت، نیازمند فدا کردن بخش‌هایی دیگر خواهد بود. درنهایت حتی اگر چیپلت‌ها به شرکت‌های تولیدکننده امکان بهبود چگالی را با سرعت بیشتر بدهند، بهبودها تنها در بخشی از فرایند تولید پردازنده، کارساز خواهند بود.

فراموش نکنید که افزایش دائمی ظرفیت ترانزیستور بدون درنظرگرفتن کاهش مصرف نیرو، اثرگذاری زیادی ندارد. به‌علاوه، افزایش چگالی ترانزیستور به‌معنای افزایش احتمال ایجاد نقطه‌ی داغ در تراشه می‌شود که افزایش کارایی و قدرت را محدود می‌کند.

آیا چیپلت فراتر از قانون مور حرکت می‌کند؟

برخی کارشناسان اعتقاد دارند جذاب‌ترین قابلیت چیپلت‌ها ارتباطی با توانایی‌ها در بهبود مقیاس‌دهی در دنیای تراشه ندارد. آن‌ها بالاترین قابلیت را در همان تعریف اصلی یعنی توانایی مونتاژ کردن می‌بینند. اگر روند توسعه‌ی این دستاوردهای مدرن به‌خوبی پیش برود، شاید روزی شاهد استفاده از چیپلت‌ها با مواد متنوع در ساختن یک پردازنده‌ی مرکزی باشیم. ادغام انواع گوناگون مواد، مانند نیمه‌هادی‌های III-V موجب می‌شود تا در طراحی‌های آتی، ارتباط بین چیپلت با چیپلت را به‌وسیله‌ی اتصال‌های اپتیکال انجام دهیم. در فرضیه‌ای دیگر می‌توان یک چیپلت مرسوم را با تعدادی هسته‌ی استاندارد CPU، به تراشه‌ای مبتنی بر ساختار اسپینترونیک ساخته‌شده با گالیم نیترید، متصل کرد.

دلیل استفاده از سیلیکون در ساختن تراشه‌ها، کارایی و بازدهی بالای آن در دنیای مواد ترانزیستوری نیست. درواقع سیلیکون ماده‌ای ارزان‌ درمیان نیمه‌هادی‌ها محسوب می‌شود که به‌راحتی می‌توان با آن کار کرد و عیوب زیادی هم در آن دیده نمی‌شود. با استفاده از فناوری ساخت چیپلت‌ها، شرکت‌هایی همچون اینتل و AMD می‌توانند بدون ایجاد ریسک برای کل ساختار تولیدی خود، مواد جدید را به‌جای سیلیکون در مهندسی تولید آزمایش کنند.

تصور کنید اینتل یا AMD تصمیم به معرفی پردازنده‌ای مبتنی بر فناوری چیپلت داشته باشند که از چهار هسته‌ با قدرت بالا و از جنسی همچون ایندیم گالیم آرسنید (InGaAs) و ۱۶ هسته با جنس سیلیکون مرسوم بهبودیافته ساخته شده باشد. اگر پروژه‌ی هسته‌های InGaAs شکست بخورد، فعالیت‌های طراحی و تولید روی بخش‌های دیگر تراشه، خسارتی نمی‌بینند. درنتیجه شرکت‌ هم چالشی از جنس طراحی مجدد کل ساختار پردازند‌ه‌ی مرکزی نخواهد داشت. به‌هرحال استفاده از مواد و ساختارهای متنوع با کاربردهای گوناگون در یک SoC یکی از حوزه‌های پیشرفت و توسعه‌ی مفهوم چیپلت‌ها محسوب می‌شود که شرکت‌‌های اصلی نیز از سال‌ها پیش روی آن تأکید داشته‌اند.

درنهایت می‌توان ادعا کرد که چیپلت‌ها صرفا به‌خاطر امکان جانمایی قطعات بیشتر در پکیج‌های ترانزیستوری کاربر ندارند. بلکه بهترین کاربرد آن‌ها را می‌توان در آزمایش انواع مواد و کاربری‌ها و مراحل مهندسی مشاهده کرد که توسعه‌ی تراشه‌های آتی را در شرکت‌های طراح، تسهیل می‌کند. چیپلت‌ها یکی از روش‌هایی هستند که شرکت‌‌ها در خارج از مفهوم کوچک‌تر کردن فرایندهای تولید (نود پردازشی) برای بهبود فرایند تولید محصولات در نظر گرفته‌اند. از همین مفهوم اولیه، دو کاربر دیگر به‌صورت حذف مادربرد از کامپیوترهای شخصی آینده و پردازش در سطح ویفر هم زاده شده‌اند. در مجموع، روش‌های مفهومی کنونی منجر به تغییر در فرایندهای تولید تراشه در آینده می‌شوند که شاید دیگر کمترین سنخیتی با قانون مور نداشته باشند.