داستان پردازنده های ARM (ای آر ام) در اولترابوک ها و خاتمه انحصار اینتل
به گزارش مجله سرگرمی، بیش از سه دهه، تمامی لپ تاپ های جهان بر پایه معماری پردازش x86 شرکت های اینتل و ای ام دی طراحی و ساخته می شدند. این معماری برای کامپیوترهای بزرگ رومیزی بسیار عالی بود، اما مصرف انرژی بالای آن مانعی بزرگ برای شارژدهی باتری لپ تاپ ها محسوب می شد. اولترابوک های اولیه با پردازنده های معماری سنتی همیشه میان دو گزینه توان بالا با شارژدهی بسیار کوتاه یا شارژدهی بلندمدت با قدرت پردازشی ناچیز سرگردان بودند. این بن بست ساختاری، ایده رایانه های واقعی و باریک را سال ها به ایده ای دست نیافتنی تبدیل نموده بود.
منجی اصلی این صنعت در جای متفاوتی قرار داشت: تراشه های کم مصرف و مینیاتوری گوشی های هوشمند با معماری ای آر ام (ARM Architecture). این پردازنده ها به جای فشار آوردن با ولتاژهای بالا، بر بازدهی خیره کننده تمرکز داشتند. تحول بزرگ زمانی رخ داد که تراشه های سری ام اپل توانستند قوی ترین لپ تاپ های پرمصرف را در بنچمارک ها شکست دهند. این موفقیت ترسی عمیق در دنیای ویندوز ایجاد کرد و شرکت هایی مانند کوالکام و مایکروسافت متوجه شدند بدون کوچ به این معماری نو، از رقابت حذف خواهند شد. اولترابوک با این چرخش تاریخی وارد عصر نوی شد.
چالش های مهاجرت نرم افزاری و شبیه سازی کدهای قدیمی
کوچ به معماری نو اصلاً ساده نبود، زیرا میلیون ها نرم افزار قدیمی برای زبان و کدهای متفاوتی نوشته شده بودند. مهندسان نرم افزار مجبور شدند لایه های شبیه ساز (Emulation) بسیار پیچیده ای بسازند تا فرآیند تغییر معماری برای کاربر نهایی کاملاً نامرئی باقی بماند. تراشه های نو توانایی روشن شدن آنی (Instant-on) مشابه گوشی های هوشمند را به لپ تاپ ها بخشیدند. کاربر دیگر احتیاجی به معطل شدن برای بالا آمدن سیستم عامل ندارد و دستگاه بلافاصله آماده به کار می گردد. این جهش بزرگ ناشی از تغییر دکترین پردازشی و خروج از انحصار سنتی است.
پردازنده های نوین اکنون به واحدهای پردازش عصبی (NPU) برای اجرای آفلاین مدل های هوش مصنوعی مجهز شده اند. این قابلیت نو به دستگاه اجازه می دهد بدون احتیاج به اتصال به سرورهای ابری، رفتارهای پیچیده را پردازش کند. این تغییرات معماری، بردهای داخلی را بسیار کوچک تر نموده و فضای بازشده را در اختیار باتری های بزرگتر قرار داده است. اولترابوک امروزی شارژدهی بسیار بالاتری را نسبت به نسل های گذشته ارائه می دهد. اکنون رقابتی ژئوپلیتیک بر سر خطوط فراوری این سیلیکون های پیشرفته در دنیا در جریان است.
جدول مقایسه پردازنده های با معماری x86 و ARM
| شاخص مقایسه | معماری x86 (سنت گرا) | معماری ARM (مدرن) |
|---|---|---|
| فلسفه دستورالعمل ها | مجموعه دستورالعمل های پیچیده (CISC) | مجموعه دستورالعمل های کاهش یافته (RISC) |
| بازدهی مصرف انرژی | میانه تا پایین (تلفات حرارتی بالا) | فوق العاده بالا (مصرف بهینه میلی واتی) |
| احتیاج به سیستم خنک کننده | فن های فعال و هیت سینک های بزرگ | امکان خنک کاری غیرفعال (بدون فن) |
| سازگاری با نرم افزارهای قدیمی | بومی و بدون احتیاج به مبدل | احتیاجمند لایه ترجمه و شبیه سازی |
فلسفه طراحی RISC در برابر CISC
تفاوت بنیادی میان معماری ای آر ام و معماری سنتی اینتل در نحوه پردازش دستورالعمل ها نهفته است. معماری x86 بر پایه دستورالعمل های پیچیده (CISC) شکل گرفته که در آن یک دستورالعمل یکتا می تواند چندین عملیات متوالی را در داخل پردازنده اجرا کند. این رویکرد احتیاجمند مدارهای سخت افزاری بسیار پیچیده ای در داخل تراشه است که برق زیادی مصرف می کنند و گرمای فراوانی فراوری می کنند. در مقابل، معماری نو بر پایه دستورالعمل های ساده شده (RISC) راسخ است که کارهای پیچیده را به دستورات کوچک تر و سریع تر تقسیم می نماید.
سادگی مدارهای سخت افزاری در معماری نو باعث می گردد تراشه مساحت بسیار کمتری از سیلیکون را اشغال کند و جریان نشتی برق به حداقل برسد. این پردازنده ها می توانند دستورات ساده را در یک سیکل ساعت اجرا کنند که باعث افزایش چشمگیر بازدهی انرژی می گردد. این سادگی ساختاری به طراحان اجازه می دهد تعداد بسیار زیادی هسته پردازشی را در یک تراشه کوچک جای دهند. نتیجه این معماری، پردازنده هایی است که با مصرف تنها چند وات انرژی، قدرتی معادل پردازنده های پرمصرف دسکتاپ ارائه می دهند. اولترابوک بر پایه این فلسفه به بازدهی متفاوتی دست یافته است.
ساختار سیستم بر روی یک چیپ یا SoC
یکی از عوامل اصلی موفقیت معماری نو، یکپارچه سازی تمام قطعات اصلی سیستم بر روی یک تراشه واحد یا سیستم بر روی یک چیپ (System on a Chip) است. در لپ تاپ های سنتی، پردازنده اصلی، کارت گرافیک، کنترلر حافظه و بردهای جانبی قطعات مجزایی بودند که روی مادربرد متصل می شدند. این فاصله فیزیکی میان قطعات باعث اتلاف وقت در انتقال اطلاعات و افزایش مصرف انرژی می شد. در طراحی نو، تمامی این اجزا در کنار حافظه رم روی یک قطعه سیلیکونی قرار می گیرند.
این یکپارچگی بی نظیر باعث می گردد پهنای باند انتقال اطلاعات میان پردازنده و حافظه رم به مقادیر شگفت انگیزی برسد و تاخیر در انتقال داده ها به صفر نزدیک گردد. بعلاوه حذف مسیرهای مسی طولانی روی مادربرد، مصرف برق در انتقال سیگنال ها را به شدت کاهش می دهد. ساختار SoC فضای بسیار کمی از داخل بدنه را اشغال نموده و دست مهندسان را برای نازک تر کردن شاسی دستگاه باز می گذارد. این دستاورد فنی الگوی ساخت کامپیوترهای شخصی را برای همواره تغییر داده است.
مکانیسم ترجمه کدهای نرم افزاری و لایه های شبیه ساز
اجرای نرم افزارهایی که برای معماری x86 نوشته شده اند روی پردازنده های نو، احتیاجمند فرآیندی به نام ترجمه پویا یا شبیه سازی کدها است. وقتی کاربر برنامه ای قدیمی را اجرا می نماید، لایه نرم افزاری سیستم عامل دستورات معماری قدیمی را به کدهای قابل فهم برای پردازنده نو تبدیل می نماید. در سال های گذشته این فرآیند باعث افت شدید سرعت می شد، اما شبیه سازهای مدرن با استفاده از روش های ترجمه پیش دستانه، این مشکل را حل نموده اند.
سیستم عامل کدهای ترجمه شده را در یک حافظه پنهان ذخیره می نماید تا در اجراهای بعدی احتیاجی به ترجمه مجدد نباشد. بعلاوه قدرتمندتر شدن هسته های پردازشی نو باعث شده که حتی با وجود افت ناچیز ناشی از شبیه سازی، سرعت اجرای برنامه ها همچنان بسیار بالا باشد. این انتقال نرم افزاری موفقیت آمیز به کاربران اجازه داد تا بدون از دست دادن برنامه های کاری قدیمی خود، از مزایای سخت افزار نو بهره مند شوند.
نقش واحدهای NPU در پردازش محلی هوش مصنوعی
افزوده شدن واحدهای اختصاصی پردازش عصبی یا NPU به تراشه های نو، گام مهم دیگری در تکامل این معماری محسوب می گردد. این بخش از تراشه به گونه ای بهینه سازی شده که محاسبات ماتریسی سنگین مرتبط با شبکه های عصبی را با مصرف انرژی بسیار ناچیز انجام دهد. انجام این پردازش ها روی پردازنده اصلی یا کارت گرافیک فشار زیادی به سیستم وارد می کرد و شارژ باتری را به سرعت کاهش می داد.
وجود NPU امکان اجرای قابلیت های مدرن مانند تشخیص چهره، حذف نویز صدا و پردازش متن را بدون کاهش شارژدهی باتری فراهم می سازد. پردازش محلی این اطلاعات علاوه بر افزایش سرعت، امنیت داده های کاربر را نیز حفظ می نماید زیرا احتیاجی به ارسال اطلاعات به سرورهای خارجی نیست. این ترکیب هوشمندانه از هسته های مختلف پردازشی، نشان دهنده رجحان معماری های ناهمگون در رایانه های قابل حمل امروزی است. اولترابوک با این پردازنده ها هوشمندتر از همواره کار می نماید.
ابعاد ژئوپلیتیک و انحصار خطوط فراوری سیلیکون
تغییر معماری بازار رایانه ها باعث ایجاد تغییرات بزرگی در زنجیره تامین دنیای سخت افزار شده است. بر خلاف اینتل که کارخانه های فراوریی خود را مدیریت می کرد، بیشتر طراحان تراشه های نو متکی به کارخانه های بزرگ فراوری سیلیکون در تایوان هستند. فناوری های پیشرفته لیتوگرافی چند نانومتری که برای ساخت این تراشه های متراکم ضروری است، در انحصار تعداد بسیار محدودی از شرکت ها قرار گرفته است. این وابستگی تمرکزی، مسائل سخت افزاری را به موضوعی حساس در حوزه های ژئوپلیتیک تبدیل نموده است.
کشورهای مختلف در حال سرمایه گذاری های سنگین برای بومی سازی خطوط فراوری این تراشه های پیشرفته هستند تا زنجیره تامین خود را تضمین کنند. دستیابی به لیتوگرافی های زیر سه نانومتر احتیاجمند تجهیزات پیشرفته نوری است که فراوری آن ها در انحصار انحصاری کشورهای معدودی است. این پیچیدگی های ساخت باعث شده که انقلاب معماری نو تنها یک تحول فنی نباشد، بلکه توازن قدرت در صنعت فناوری دنیا را نیز جابه جا کند.
یکپارچه سازی حافظه و مفهوم مدیریت یکپارچه رم
در معماری نو، مفهوم سنتی حافظه رم مجزا کاملاً کنار گذاشته شده و از فناوری حافظه یکپارچه (Unified Memory) استفاده می گردد. در سیستم های قدیمی، پردازنده اصلی و کارت گرافیک هر کدام حافظه اختصاصی خود را داشتند و کپی کردن داده ها میان این دو حافظه زمان بر و پرمصرف بود. در معماری نو، تمام بخش های تراشه به یک استخر حافظه پرسرعت دسترسی مستقیم و هم زمان دارند.
این دسترسی مستقیم احتیاج به کپی برداری های مکرر داده ها را از بین می برد و سرعت پردازش گرافیکی و محاسباتی را به شکل چشمگیری افزایش می دهد. با این حال، این طراحی به معنای لحیم شدن کامل حافظه روی تراشه است که امکان ارتقای آن را پس از خرید دستگاه کاملاً منتفی می سازد. این سازش میان سرعت فوق العاده و قابلیت ارتقا، یکی از ویژگی های بنیادی اولترابوک های نسل نو است. اولترابوک با این معماری، سرعت بالا را بر قابلیت ارتقا ترجیح داده است.
دگرگونی سیستم های شارژ و باتری های کوچک تر
کاهش چشمگیر مصرف انرژی در پردازنده های نو، الزامات طراحی باتری و مدارات تغذیه را به کلی تغییر داده است. لپ تاپ های قدیمی احتیاجمند باتری های بسیار سنگین و شارژرهای غول پیکر بودند تا بتوانند چند ساعت فعالیت را دوام بیاورند. اما تراشه های نو با کاهش مصرف در حالت بی کاری به چند میلی وات، شارژدهی های بالای 15 ساعت را به یک استاندارد معمولی تبدیل نموده اند.
این کاهش مصرف برق به سازندگان اجازه داده تا از مدارات تغذیه ساده تر و کوچک تر استفاده کنند که حرارت کمتری نیز فراوری می کنند. امکان شارژ این دستگاه ها با شارژرهای کوچک جیبی و شارژرهای گوشی های هوشمند فراهم شده است که وزن کلی کیف کاربر را به شدت کاهش می دهد. تحول در معماری تراشه نه تنها خود دستگاه، بلکه تمامی لوازم جانبی مرتبط با آن را نیز کوچک تر و کارآمدتر نموده است.
آینده رایانه های شخصی پس از کودتای معماری
پیروزی معماری نو در بازار لپ تاپ های باریک، به معنای سرانجام سلطه مطلق معماری های سنتی در رایانه های قابل حمل است. سازندگان قدیمی نیز برای باقی ماندن در رقابت، مجبور به بازطراحی تراشه های خود و استفاده از معماری های ناهمگون با هسته های کم مصرف شده اند. این رقابت فشرده در نهایت به سود کاربران تمام می گردد، زیرا منجر به فراوری دستگاه هایی سریع تر، سبک تر و با شارژدهی بالاتر شده است.
تعریف ما از رایانه قابل حمل برای همواره تغییر نموده و مرز میان گوشی های هوشمند، تبلت ها و لپ تاپ ها کم رنگ تر از گذشته شده.
پیشنهاد اختصاصی سردبیر (علیرضا مجیدی)
این مقاله مجذوب کننده و جالب بود؟! پس برای خواندن این نوشته های مرتبط کلیک کنید:
- پارادوکس کارنگی؛ چگونه ثروتمندترین و بی رحم ترین مرد دنیا، بذر دموکراسی فرهنگی را در کتابخانه ها کاشت؟
- داستان معجزه نجات کلینت ایستوود از سقوط بمب افکن در اقیانوس
- قرارداد ساختگی و انتقام هالیوودی؛ تاریک ترین پرونده حقوقی کلینت ایستوود
- زندگی پنهان کلینت ایستوود در دنیای موسیقی جاز و ساخت قطعات ماندگار
- معمای ثانیه شمار؛ روان شناسی پنهان عقربه های ساعت که ادراک زمان را تغییر می دهند
- نقش فرهنگ در ماهیت توهم های شنوایی و بیماری اسکیزوفرنی یا روان گسیختگی
- پارادوکس زیبایی فک مومیایی ها: چرا فک انسان های باستان از ما زیباتر بود؟!
- جنگ 335 ساله بی خونریزی: پارادوکس صلح فراموش شده میان هلند و مجمع الجزایر سیلی
- کپی نویسی معکوس: شاه کلید رمان نویسان بزرگ برای تسخیر فکر و توجه مخاطب
- سندرم دسکتاپ سیاه؛ چرا انتخاب والپیپر تاریک نشانه ای از یک احتیاج زیستی- روانی در مغز شماست؟!
- دلیل طولانی شدن مذاکرات صلح قاجار و بریتانیا و نقش آداب تشریفات
- سندرم پورشه پلاستیکی؛ چگونه تورم ساختاری کپی کراسی را جایگزین دموکراسی کالاها می نماید؟