همه آنچه باید درباره پردازنده های موبایلی بدانیم

در این مطلب به صورت اختصاصی سراغ تراشه های موبایلی رفته ایم تا مرجعی مناسب برای درک بهتر مشخصات فنی تراشه های گوشی های هوشمند مدرن فراهم کنیم. در آخر هم سراغ Kirin ۹۷۰ خواهیم رفت که شاید آغازگر موج تازه ای در زمینه هوش مصنوعی و تراشه های موبایلی باشد.

بیایید پیش از هر چیز ببینیم «تراشه» یا «چیپست» (chipset) چیست؟ همان طور که از عنوان انگلیسی بر می آید، « chipset» در واقع مجموعه ای از «تراشه ها» (چیپ ها) است که وظیفه آن مدیریت اطلاعات و داده هایی است که بین اجزای داخلی سیستم - مانند پردازنده مرکزی، حافظه یا رم، فضای ذخیره سازی - و قسمت های ورودی و خروجی رد و بدل می شوند. در کامپیوترهای دسکتاپ (که قدرت پردازشی آن از طریق «سی پی یو» تامین می شود) این سخت افزار تاثیری حیاتی در تجربه کاربری ندارد، اما در گوشی های هوشمند با داستان کاملا متفاوتی روبرو هستیم.

اگر بخواهیم سخت افزار گوشی هوشمندمان را با سخت افزار یک کامپیوتر معمولی مقایسه کنیم، آن وقت باید بگوییم تراشه یا چیپست گوشی شامل سی پی یو و چندین جزء دیگر است. برای درک بهتر می توانید فرض کنید مادربورد، سی پی یو و کارت گرافیک کامپیوترتان به اندازه یک تمبر پستی کوچک شوند. این همان چیزی است که با اصطلاح «سیستم روی یک تراشه» (System on-a-chip یا SoC) شناخته می شود.

در یک گوشی هوشمند یا تبلت مدرن، چیست یا تراشه (که از نظر فنمی بهتر است آن را «سیستم روی یک تراشه» یا SoC بینامیم) میزان بیشتر اجزای مهم سخت افزاری است و به ندرت بخش سخت افزاری مهمی در بیرون از آن باقی می ماند. درست است که این توضیح بیش از حد ساده سازی شده اما واقعیت این است که یک SoC مدرن «کوالکام» (Qualcomm) یا «مدیاتک» (Tek Media) نه فقط سی پی یو و «جی پی یو» (GPU، واحد پردازش گرافیکی) را در بر دارد، بلکه مودم های مختلف حسگرها، فناوری های مربوط به ناوبری و ارتباطات، کنترلرها و کانال های داده (کانال هایی متصل به رم حافظه ذخیره سازی و حسگرهای دوربین و اثر انگشت) را هم شامل می شود و این تازه آغاز ماجراست.

فضای فیزیکی محدود، قدرت پردازشی بالا و محدودیت های حرارتی باعث شده است قوانین بازی تراشه های مخصوص دستگاه های همراه تغییر کند و سطح نوآوری در این زمینه به حدی برسد که هرگز در کامپیوترهای شخصی شاهد آن نبوده ایم. برای نمونه، در بسیاری از گوشی های قدیمی حتی مودم خارج از تراشه و به صورت مستقل وجود داشت. امروزه پیشرفت های مرتبط با جنگ بی پایان با محدودیت های «فرم فاکتور» (factor form) گوشی هوشمند، کار را به جایی رسانده که مهندسان سامسونگ راه حلی در قالب طراحی «POP» (package-on-package embedded) ارائه کرده اند که در آن نه فقط مودم بلکه اجزایی مانند رم و حافظه ذخیره سازی هم روی تراشه اصلی قرار می گیرند.

قرار گرفتن اجزای سخت افزاری در کنار یکدیگر به جز صرفه جویی در فضا، مزیت های دیگری هم دارد؛ مزیت هایی مانند امکان استفاده از کانال های ارتباطی کوتاه تر و بهینه تر و همچنین تخصیص دقیق تر منابع پردازشی. وجه منفی این راه حل هم مشخص است. تولید گرمای بیشتر برای یافتن نقطه تعادلی مناسب برای هر کاربرد و متناسب با هر دستگاه، تلاش زیادی لازم است. تلاش برای یافتن این نقطه تعادل است که برخی مسائل دیگر را در مورد تراشه های مدرن پیش می آورد؛ مسائلی مانند فرایندی که برای تولید چنین تراشه هایی باید طی شود.

فرایند تولید

در بحث نیمه رساناها و تراشه هایی که با استفاده از آنها ساخته می شوند باید به این نکته دقت کرد که همه آنها رفتار و ویژگی های حرارتی مشابهی دارند. این مسئله یکی از دلایلی است که باعث می شود فشرده کردن تعداد زیادی ترانزیستور در یک فضای کوچک منجر به ناپایداری شود.

استفاده از اجزای بهتر، معماری پیشرفته تر و طراحی بهینه تر، راه حل هایی برای این مسئله به شمار می آیند. ولی به نظر می رسد بهینه سازی فرایند تولید بهترین و ملموس ترین نتایج را در پی داشته باشد. در این فناوری، مدارهای الکترونیکی روی یک سطح نیمه رسانا به نام «ویفر سیلیکونی» (silicon wafer) ایجاد می شوند. این فرایند بسیار پیچیده است و شامل چندین مرحله «فوتولیتوگرافی» (photolithographic) و فرایندهای شیمیایی می شود و در کارخانه های خاصی انجام می گیرد که با عنوان «fab» شناخته می شوند. مهم ترین مسئله این فرایند ساخت، مسئله اندازه است.

مهندسان با کوچک تر کردن این فرایند ساخت، توانسته اند اجزای بیشتری روی یک فضای محدود و مشخص جا بدهند یا این که چیدمان این اجزا را بهینه تر کنند. این فناوری ساخت از سال 1971 تاکنون به مرور کوچک تر شده و از 10 پیکومتر به 10 نانومتر رسیده است و به نظر می رسد این کوچک سازی بتواند تا حد پنج نانومتر هم ادامه یابد، بدون آن که محدودیت های فیزیکی مزاحمتی ایجاد کند. انتظار می رود فناوری ساخت پنج نانومتری تا سال 2020 در دسترس مهندسان باشد.

اما این ها با تراشه های گوشی های هوشمندمان چه ارتباطی دارد؟ در حقیقت، آن فضای اضافی که با کوچک تر کردن پردازنده حاصل می شود، می تواند برای بهبود عملکرد پردازش کامپیوتری و بهینه سازی مصرف انرژی به کار گرفته شود.

معماری و امکانات سخت افزاری

در این زمینه دو شرکت مهم در رقابت با یکدیگرند که هر کدام طراحی و معماری خودشان را برای تراشه های خود دارند. یکی از این شرکت ها «ARM» است، شرکت مهم دیگر اینتل است که معماری «=x86 را دارد که از ان برای پردازنده های کامپیوترهای دسکتاپ و پردازنده های موبایلی استفاده می شود.

شرکت ARM در طراحی هایش همواره اولویت را به دستگاه های همراه یا موبایل داده است و برخلاف اینتل، خودش هیچ تراشه ای تولید نمی کند. در حقیقت، کسب و کار این شرکت توسعه دادن طراحی های جدید و فروختن این فناوری ها به تولید کنندگان دیگر است. تراشه بیشتر گوشی های هوشمند امروزی (مانند اسنپ دراگون های کوالکام، تراشه های MT شرکت مدیاتک، «Exynos» سامسونگ و همچنین تراشه های سری A اپل) بر اساس معماری ARM ساخته شده اند.

ARM معماری های گوناگونی (از ARMv۱ گرفته تا ARMv۸-A) توسعه داده و بر اساس هرکدام از این معماری ها، هسته ای خاص طراحی کرده است. برخی از این هسته ها (مانند سری Cortex-M) واجد خصوصیات میکروکنترلر هستند و کار برخی دیگر (مانند Cortex-R) پردازش همزمان است، اما آن نوع هسته هایی که برای ما اهمیت دارد، هسته های Cortex-A است که اغلب برای استفاده در پردازنده اصلی گوشی و تبلت توسعه داده می شوند.

تراشه های مبتنی بر معماری ARM در مقایسه با تراشه های اینتل معمولا مصرف انرژی بسیار بهینه تری دارند و گرمای کمتری تولید می کنند ولی از نظر عملکرد پردازشی، تراشه های ARM در رده های پایین تری از تراشه های مشابه با معماری x۸۶ اینتل قرار می گیرند. با این حال، تراشه های ARM در زمینه های دیگر مانند «کدگشایی سخت افزاری ویدئو» (hardware videodecoding) عملکرد بهتری از خود نشان می دهند. کدگشایی سخت افزاری ویدئو هم عبارت از این است که فرایند پردازش ویدئو به جای واحد پردازش مرکزی با «سی پی یو»، به عهده واحد پردازش گرافیکی با «جی پی یو» گذاشته می شود. برتری معماری ARM در این زمینه شاید به خاطر پایین بودن قدرت پردازشی خالص سی پی یو باشد ولی واقعیت این است که بیشتر تراشه های ARM در این زمینه بهتر از تراشه های اینتل هم رده خود عمل می کنند و قیمت پایین تری هم دارند.

بد نیست به این نکته هم اشاره کنیم که در سال های اخیر، از معماری های اینتل کمتر برای تراشه های گوشی های هوشمند استفاده می شود و بیشتر گوشی های هوشمند مهم بازار از معماری ARM استفاده می کنند.ط

همراه با پیدایش گوشی های هوشمند و تبلت ها و به حاشیه رانده شدن کامپیوترهای رومیزی و لپ تاپ ها، بحث طراحی، توسعه و تولید اجزای سخت افزارهای گجت های همراه، به یکی از مهم ترین زمینه های فناوری تبدیل شد. اما فناوری توسعه و تولید مهم ترین بخش سخت افزاری این گجت ها، یعنی پردازنده مرکزی، تنها در اختیار چند شرکت محدود است. برای نمونه، معماری بیشتر پردازنده های موبایلی متعلق به شرکت ARM است که خودش کارخانه ای ندارد و امتیاز استفاده از فناوری هایش را در اختیار تولید کنندگان قرار می دهد. با این حال، حتی فرایند تولید این تراشه ها هم فرایند پیچیده و دشواری است و تنها چند شرکت در این زمینه فعالند. در این بخش سراغ مهم ترین تولید کنندگان تراشه های موبایلی رفته ایم تا ضمن آشنایی کلی با فعالیت آنها، تراشه های تولید هر کدام و فناوری ساخت شان را مرور و مقایسه کنیم.

تراشه های کوالکام

کوالکام در حال حاضر بزرگ ترین و شناخته شده ترین شرکت فعال در حوزه نیمه رساناهاست که از خودش کارخانه تولیدی ندارد. به عبارت دیگر، این شرکت با فروختن مجوز استفاده از فناوری هایش به تولید کنندگان دیگر درآمدزایی می کند. از سال 2007 تاکنون، شرکت کوالکام بیشتر با تراشه های اسنپ دراگون شناخته می شود؛ تراشه هایی که به طور اختصاصی برای تبلت و موبایل طراحی و ساخته می شوند.

در حال حاضر معمولا از اسنپ دراگون های سری 4** برای گوشی های رده پایین استفاده می شود و در گوشی های میان رده و پرچمدار به ترتیب شاهد استفاده از اسنپ دراگون های 6** و 8** هستیم. از میان این پردازنده ها، می توانیم به اسنپ دراگون 430 (دارای امکانات و قابلیت های فراوان)، اسنپ دراگون 625 (با فناوری ساخت 14 نانومتری و مصرف انرژی بسیار پایین) و اسنپ دراگون 821 (پرچمدار کنونی) اشاره کنیم. خبرهایی هم در مورد اسنپ دراگون 835 (با فناوری ساخت 10 نانومتری) منتشر شده ولی هنوز دستگاهی مجهز به این تراشه روانه بازار نشده است.

تراشه های کرین هوآوی

اگر اخیرا یک گوشی با برند «هوآوی» یا «آنر» (Honor) خریده باشید به احتمال زیاد در این گوشی از یک تراشه «کرین» (Kirin) استفاده شده است؛ شرکت هوآوی هم مانند سامسونگ یکی از بازیگران مهم تولید سخت افزار است.

هوآوی یکی از بزرگ ترین تامین کنندگان سخت افزار جهان به حساب می آید و منطقی است که بخواهد در حوزه تراشه و نیمه رسانا هم سرمایه گذاری کند. در سال 2004 بخش توسعه مدارهای سخت افزاری هوآوی وارد حوزه طراحی SoC (سیستم روی یک تراشه) شد. از آن زمان به بعد که این بخش از هوآوی با عنوان «HiSilicon Technologies» شناخته می شود، توانسته بیش از 120 تراشه طراحی کند. های سیلیکون هم مانند کوالکام کارخانه تولیدی ندارد و مجوز استفاده از فناوری هایش را به تولید کنندگان می فروشد.

در این زمینه رویکردهای سامسونگ و هوآوی شباهت هایی به هم دارد. هوآوی مانند سامسونگ تمایل دارد در تولید گوشی های رده بالا و بسیاری از گوشی های میان رده خود، بر تراشه های خودش تکیه داشته باشد، اما برخلاف سامسونگ، هوآوی کمتر از تراشه های جایگزین در تولید گوشی های خود استفاده می کند. همچنین تراشه های کرین تاکنون به گوشی های خود هوآوی محدود بوده اند، اما به تازگی گوشی سازی به نام Meizu از اکسینوس های سامسونگ بهره گرفته است.

نخستین تراشه های کربن عملکرد خوبی از نظر پردازش گرافیکی نداشتند، اما اکنون اوضاع تغییر کرده است و «Mali-T۸۸۰» که پردازنده گرافیکی تراشه های «Kirin ۹۵۰» و «Kirin ۹۵۵» است، می تواند از رقابت با دیگران سربلند بیرون بیاید. هوآوی توانسته در تراشه «Kirin ۹۶۰» هم چهار هسته Cortex-A۷۳» به کار بگیرد که دستاورد مهمی به شمار می آید.

های سیلیکون هوآوی در تراشه های رده بالای خود از فرایند ساخت ۱۶ نانومتری استفاده می کند که هر چند کمی عقب تر از فناوری ساخت ۱۴ نانومتری سامسونگ (FinFET) است، اما از فرایند ساخت ۲۰ نانومتری مدیاتک بهتر است. دیگر این که هوآوی برای تراشه های میان رده خود ()مانند Kirin ۶۵۰ و Kirin ۶۵۵) هم از همین فناوری ۱۶ نانومتری استفاده می کند.

تراشه های مدیاتک

یکی دیگر از طراحان تراشه های موبایلی شرکتی است به نام «مدیاتک» که پردازنده های آن را معمولا می توانید در گوشی های پایین رده و میان رده ارزان قیمت چینی پیدا کنید. استراتژی مدیاتک همیشه این بوده که سخت افزار مورد نیاز تولید کنندگان کوچک تر را طراحی کند تا این تولید کنندگان بتوانند قیمت نهایی محصول شان را تا حد ممکن پایین نگه دراند.

مدیاتک در سال ۲۰۰۴ وارد این حوزه شد و کلید موفقیتش بسته های پیشنهادی منحصر به فرد این شرکت بود. گوشی سازان به جای آن که یک تراشه معمولی را از مدیاتک بخرند، می توانستند همراه با آن یک سیستم عامل پیش فرض را هم دریافت کنند. همین موضوع باعث می شد گوشی سازان زمان قابل توجهی در مرحله تحقیق و توسعه صرفه جویی کنند. به این ترتیب مدیاتک توانست به سرعت روابط خوبی با شرکت هایی مانند ZTE، هوآوی، آلکاتل و Gionee برقرار کند.

با این حال در سال های اخیر مدیاتک کوشیده است از بازار چین فراتر برود و محصولاتش را به بازار آمریکا برساند. این شرکت حتی کوشیده به رقابت با کوآلکام بپردازد. فعالیت های تبلیغاتی پر سروصدای مدیاتک با شعارهایی مانند «هشت هسته ای واقعی» (True Octa-core) و «دسترسی توده مردم به LTE» توانسته است ذهنیت بهتری درباره این شرکت ایجاد کند.

به تازگی هم مدیاتک نام گذاری تراشه هایش را تغییر داده و به جای عنوان هایی مانند «MT6752» و «MT6595» از نام هایی از قبیل «Heilo X20» و «Heilo X25» استفاده می کند. پرچمداران کنونی مدیاتک هم همین تراشه های Heilo X20 و Heilo X25 هستند که فرایند ساخت 20 نانومتری دارند. طراحی این چیپست ها سه خوشه ای (tri-cluster) است و همین طراحی خاص باعث شده 10 هسته پردازشی داشته باشند.

از نظر فناوری ساخت، مدیاتک کمی عقب تر از کوآلکام حرکت می کند. چیپست های Heilo X25 و Heilo X20 بر پایه فرایند ساخت 20 نانومتری ساخته شده اند و چیپست های رده پایین تر مدیاتک فرایند ساخت 28 نانومتری دارند.

تراشه های اکسینوس سامسونگ

بازار تراشه های موبایلی مدرن در دست کوالکام و مدیاتک است اما بازیگران دیگری هم در تلاشند جای خودشان را در این میان پیدا کنند. سامسونگ یکی از این شرکت هاست که با وجود روابط خوبش با کوالکام و مدیاتک، می کوشد خط پردازنده های «اکسینوس» (Exynos) خود را توسعه دهد. در حقیقت از زمان معرفی نخستین گوشی «گلکسی اس» تراشه های اکسینوس سامسونگ پردازنده ای جایگزین برای بسیاری از گوشی های تولید این شرکت بوده اند.

در سال های اخیر هر نسل جدید از گوشی های پرجمدار گلکسی اس همراه با یک تراشه اکسینوس جدید معرفی شده اند. در واقع پرچمداران سامسونگ دو نسخه دارند؛ یکی که تراشه جدید کوالکام را در خود دارد و دیگری از تراشه جدید اکسینوس سامسونگ بهره می برد. از نظر عملکرد و قدرت پردازشی هم، گوشی های مبتنی بر تراشه های اکسینوس، از نسخه مبتنی بر تراشه های اسنپ دراگون کوالکام چیزی کم ندارند.

از نظر بسیاری از کارشناسان، سری تراشه های اکسینوس نشان دهنده میزان اثرگذاری و پتانسیل سامسونگ است. پیشرو بودن در حوزه فناوری های سطح بالا به معنای موفقیتی ملموس ارزیابی می شود. برای نمونه، سامسونگ با معرفی یکی از نخستین تراشه های چهار هسته ای (اکسینوس ۴۴۱۲) در این زمینه قدرتنمایی قابل توجهی انجام داد.

یکی دیگر از دلایل سامسونگ برای توسعه این تراشه ها این است که همواره نقشه دومی برای گوشی های هوشمندش داشته باشد. در حوزه فناوری های سطح بالا، اوضاع به سرعت می تواند تغییر کند و شرکتی که امروز در زمینه ای دست بالا را دارد، ممکن است در آینده ای نه چندان دور به پایان کار خود برسد. بنابراین داشتن طرحی جایگزین برای قلب تپنده گوشی های هوشمند، اقدامی منطقی به نظر می رسد.

ممکن است به خاطر داشته باشید که گوشی «گلکسی اس ۶» هرگز نسخه مجهز به اسنپ دراگون نداشته و به طور کامل از اکسینوس در تولید آن استفاده شد. باید به این نکته هم اشاره کنیم که سامسونگ در حال حاضر در زمینه پیشرفت های فرایند تولید هم جلوتر از دیگران ایستاده است. سامسونگ که در طراحی تراشه یکی از پیشتازان به حساب می آید، معمولا نخستین تولید کننده ای است که کارخانه هایش را ارتقا می دهد تا بتواند جدیدترین تراشه ها را در مقیاس وسیع تولید کند و در اختیار گوشی سازان دیگر بگذارد.