نوآوری انقلابی دنیای سختافزار؛ حذف مادربرد و استفاده از قطعه سیلیکونی
زوميت/ حذف مادربورد از ايدههاي نوآورانهي دنياي سختافزار محسوب ميشود که با ادعاي بهبود کارايي سيستمهاي پردازشي در سطح تحقيقاتي مطرح شده است. بهبود قدرت و کارايي پردازندههاي اصلي و گرافيکي، از مهمترين چالشهاي روز دنياي پردازش محسوب ميشود. توليدکنندههاي نيمههادي در سرتاسر جهان با اين چالش روبهرو هستند و همچنين طراحان CPU و GPU در رفع آن تمام تلاش خود را به کار ميگيرند. تا به امروز هيچگونه راهکار اعجابانگيز يا آساني براي بهبود سريعتر کارايي پردازندهها ارائه نشده است، اما شرکتها انواع راهکارهاي جايگزين را مطرح کردهاند. از ميان راهکارها ميتوان به انواع جديد مونتاژ قطعات سختافزاري اشاره کرد. فناوريهايي همچون HBM، چيپلت، فناوري جديد اينتل بهنام 3D Interconnect، راهکارهاي ديگر همچون Foveros و بسياري مثالهاي متعدد، از تلاشهايي هستند که فعالان صنعت براي بهبود اتصال تراشهها مطرح ميکنند. درواقع آنها بهجاي تلاش براي بهبود کارايي از طريق بهبود طراحي و ساخت خود تراشهها، سعي در افزايش سرعت و کارايي با بهبود اتصالها دارند. گروهي از محققان راهکار جديدي را براي افزايش سرعت اتصال قطعات سختافزاري مطرح ميکنند که بهصورت حذف کامل بورد چاپي مطرح ميشود. پانيت گاپتا و سوبرامانيان لاير مقالهاي در مجلهي IEEE Spectrum منتشر کرده و ايدهي جايگزيني PCB با قطعهي سيليکوني واحد را مطرح کردند. آنها ادعا ميکنند که با روش جديد ميتوان کل سيستم را در يک ويفر ثابت توليد کرد. اين دو نفر چند ماه پيش مقالهاي مشابه با موضوع پردازش در مقياس ويفر براي GPU منتشر کرده بودند. آنها براي مقالهي قبلاي خود مفهومي بهنام Si-IF يا Silicon Interconnect Fabric مطرح کردند که نوعي از فناوري اينترکانکت براي اتصال بهتر قطعات محسوب ميشد. پردازش در مقياس ويفر ايدهي استفاده از يک ويفر سيليکوني کامل را براي ساخت يک قطعهي بزرگ سختافزاري (مثلا GPU) مطرح ميکند. گروه محققان در مقالهي خود ادعا کردند که با اين روش ميتوان به نتايج بهتري در فاکتورهاي بازده، کارايي و مصرف انرژي دست يافت. آنها نتايج نظري خود را با فاکتورهاي ساخت پردازندههاي گرافيکي مجزا با استفاده از روشهاي مرسوم مقايسه کردند. گروه محققان در ابتداي مقالهي خود به چالشهاي استفاده از مادربرد در سيستمهاي کامپيوتري اشاره ميکنند. آنها مواردي همچون نياز به نصب تراشهي فيزيکي در فضايي ۲۰ برابر بزرگتر از پردازندهي مرکزي اشاره کردند. شايان ذکر است، ابعاد اصلي پردازنده هميشه بسيار کوچکتر از قطعهي فيزيکي هستند که تراشه روي آن نصب ميشود. فناوري ساخت تراشه Si-IF محققان ميگويند استفاده از قطعات مونتاژي براي تراشهها (که امروزه براي نصب تراشه روي PCB انجام ميشود) فضاي حرکت سيگنالهاي تراشه به تراشه را به مقدار ۱۰ برابر افزايش ميدهد. درنتيجه سرعت و حافظه با مانع بزرگي روبهرو ميشوند. همين چالش، بخشي از مشکل بزرگي در دنياي سختافزار بهنام «ديوار حافظه» يا «Memory Wall» محسوب ميشود. کلاک حافظههاي رم و کارايي آنها با سرعت بسيار پايينتري نسبت به پردازندهها بهبود يافته است. بخش از سرعت پايين نيز به جانمايي دورتر رم نسبت به پردازندهي اصلي مربوط ميشود. فرايند HBM براي حل چالش بالا مطرح شد و پهناي باند رم بسيار بالايي را ارائه ميکند. در اين رويکرد فاصلهي رم با CPU کاهش پيدا ميکند و مسيرهاي عريضتري براي عبور سيگنال در اختيار حافظه خواهد بود. استفاده از مادربرد بسياري محدوديتهاي انتقال سيگنال و خنککنندگي را ايجاد ميکند از چالشهاي ديگر تراشههاي مونتاژي ميتوان به خنککنندگي آنها اشاره کرد. بههرحال اين چالش در کنار انواع ديگر موانع بهبود کارايي قرار ميگيرد و درنهايت همهي آنها به استفاده از مدار چاپي مربوط ميشوند. محققان ادعا ميکنند که اينترپوزرهاي (Interposer) سيليکوني راهکاري غلط براي ارتباط قطعات سختافزاري هستند. آنها بهجاي اين رويکرد، پيادهسازي همهي قطعات از پردازنده، حافظه، آنالوگ، RF و ديگر چيپلتها را بهصورت مستقيم روي يک ويفر پيشنهاد ميدهند. درنتيجه قطعات بهجاي محدود شدن اتصال در پايههاي لحيمکاري، از ستونهاي مسي در ابعاد ميکرومتر استفاده ميکنند که بهصورت مستقيم در مادهي سيليکوني قرار ميگيرد. پورتهاي ورودي و خروجي تراشهها نيز با فشار گرمايي و اتصال مس به مس بهصورت مستقيم در همان لايهي سيليکوني اجرا خواهند شد. درنهايت براي خنککردن قطعات نيز ميتوان هيتسينک را در دو طرف Si-IF نصب کرد. قطعا سيليکون بهتر از PCB گرما را منتقل ميکند. مقايسه عملکرد سيليکون واحد با PCB همانطور که گفته شد، راهکارهاي کنوني دشواريهاي جديدي براي مقياسدهي کارايي پردازندهها ايجاد ميکنند. درنتيجه راهکارهاي جايگزين همچون موضوع مقالهي حاضر مطرح ميشود. درواقع امروز مفاهيم سنتي مقياسدهي مور/دنارد کاراي ندارند؛ مفاهيمي که تراشهها را با عبارت «کوچکتر، سريعتر و ارزانتر» در مسير پيشرفت تعريف ميکردند. امروز قطعا ميتوان اثبات کرد که جايگزيني PCB با مادهاي بهتر منجر به مقياسدهي بسيار بزرگ در کارايي و قدرت (حداقل در برخي موارد) ميشود. سيستمهاي مبتني بر مقياس ويفر قطعا تا آيندهي نهچندان مشخص براي کاربران خانگي گرانقيمت خواهند بود. البته ميتوان پيشبيني کرد که سرورها بهمرور از اين فناوري استفاده کنند. شرکتهايي همچون مايکروسافت، آمازون و گوگل ميلياردها دلار در پروژههاي پردازش قوي تحت خدمات ابري سرمايهگذاري ميکنند. درنتيجه کامپيوترهاي مبتني بر ويفرهاي بزرگ احتمالا در ديتاسنترهاي صنعتي زودتر از جاهاي ديگر ديده ميشوند. بههرحال نتايج تحقيقاتي روي بهبود کاراي پردازندههاي مرکزي و گرافيکي، محتمل بودن سناريو را بيشازپيش ميکند. ماهيت وجودي کامپيوترهاي شخصي پيش از هر تصميمگيري و اظهارنظر دربارهي آيندهي کامپيوترهاي شخصي تحت تأثير فناوري جديد، بايد بدانيم که اکوسيستم کامپيوتر شخصي تنها محدود به کارايي و قدرت پردازش نيست. کامپيوترهاي شخصي و خصوصا انواع روميزي با هدف و مأموريت انعطافپذيري و ماژولار بودن طراحي شدند تا در موقعيتهاي متفاوت، کارايي داشته باشند. امروز اکثر کاربران کامپيوترهاي شخصي براي افزايش کارايي دستگاههاي خود، آنها را بهروزرساني ميکنند. مواردي همچون اضافه کردن پورتهاي اتصال، بهبود پردازندههاي گرافيکي و مرکزي و افزايش حافظهي رم، از اقدامهاي رايج در اکوسيستم کامپيوتر شخصي محسوب ميشوند. درواقع کاربران در زمانهاي نياز به بهروزرساني، بهجاي خريد سيستمهاي جديد کامل، تنها قطعات مورد نياز را تغيير ميدهند. همين قابليتهاي انعطافي باعث کاهش قيمت کامپيوترهاي شخصي هم ميشود و آنها را به انتخابهايي عالي براي وظايف گوناگون تبديل ميکند. کامپيوترهاي شخصي کنوني انعطافپذيري و قابليت بهروزرساني بالا دارند محققان مقالهي مذکور علاوه بر پرداختن به مزاياي روش خود، معايب آن را نيز بررسي ميکنند. آنها در متن بلند خود تقريبا همهي جنبههاي راهکار استفاده از قطعهي سيليکوني واحد را تحليل کردهاند. محققان بيش از همه به اين نکته اشاره دارند که توليدکنندهها بايد سيستمها را بهگونهاي در مقياس ويفر طراحي کنند که چالش و خرابي قطعات در حداقل ممکن باشد. صنعت نيمههادي درحال حاضر در مسيري تقريبا مخالف ايدهي مذکور حرکت ميکند؛ بهعنوان مثال براي ساختن قطعهي سيليکوني واحد با همهي قطعات پردازشي و حافظهاي، شايد بتوان سيستمهايي با پردازندهي AMD و پردازندهي گرافيکي Nvidia متصور شد. اما درنهايت براي ساخت محصول نهايي بايد همکاري بيسابقهاي بين شرکتهاي توليدکنندهي تراشه (مانند TSMC، گلوبال فاندريز و سامسونگ) با شرکتهاي سازندهي پردازنده و قطعات ديگر صورت بگيرد. فعالان حوزهي نيمههادي احتمالا ديدگاهي بلندمدت به ايدهي ساخت يکپارچهي سيستمها خواهند داشت. البته کارشناسان پيشبيني ميکنند چنين رويکردي هيچگاه جايگزين کامپيوترهاي شخصي سنتي نميشود. مزاياي ارتقا و انعطافپذيري اين اکوسيستم بسيار بالا است و از لحاظ اقتصادي نيز نکات مهمي دارد. البته ارائهدهندههاي بزرگ خدمات ديتاسنتر، احتمالا از گزينهي Si-IF در طولانيمدت استفاده خواهند کرد. درنهايت قانون مور نميتواند پاسخهاي مورد نياز شرکتها را ارائه کند. شايد از بين رفتن مفهوم مادربرد ايدهاي ساختارشکن محسوب ميشود، اما در صورت اجرايي شدن، قطعا طرفداران خاص خود را خواهد داشت.