خون الکترونیکی؛ راهگشای محدودیتها و موانع در طراحی پردازندهها
شهر سخت افزار
بروزرسانی
شهر سخت افزار/ يکي از بزرگترين مشکلاتي که حوزههاي در هم تنيده علوم کامپيوتر، الکترونيک و فناوري اطلاعات با آن مواجه هستند، «تراکم» است. اگر سادهتر بگوييم، بسيار دشوار است که اجزاي ديجيتال بيشتري را در اندازههاي فعلي جاي داد. براي درک بهتر اين مسئله کيس کاميپوتر روميزي خود را در نظر بگيريد، اين کيسها معمولا گنجايشي تا 50 ليتر و حتي بيشتر دارند اما اگر کل اجزاي درون کيس را روي هم بگذاريد، جمعاً 10 درصد اين فضا را اشغال نميکنند، پس مشکل کجاست؟
اين طراحان تراشهها و قطعات کامپيوتر نيستند که نخواهند از فضاي درون کيس کامپيوتر شما به طرز بهينه تري استفاده کنند، بلکه عملاً به دلايل فني، فعلاً چنين امکاني وجود ندارد. در بهترين حالت ميتوانيم دو و يا سه کارت گرافيک را آن هم با بکارگيري خنک سازي توسط مايعات در کنار دو پردازنده رده بالا، در يک کيس معمولي جاي دهيم، فراتر از آن واقعاً دشوار است. البته مشکل فعلي؛ در دسترس نبودن کيسهاي بزرگتر نيست، بلکه مشکلات جدي تر و بازدارنده اي وجود دارد.
در سالهاي اخير شاهد افزايش روشهاي افزايش تراکم بودهام که يکي از آنها، استکينگ (پشته سازي-سوار کردن) يک تراشه بر روي ديگري است. در همين حال سازندگان تراشهها ميکوشند تا محدوديتها را فراتر برده و بيش از يک تراشه را بر روي ديگري پشته سازي کنند، براي نمونه پردازنده مرکزي و گرافيکي در کنار هم و حافظه رم بر روي آنها، و يا پشته سازي چهار و هشت تراشه HBM بر روي هم در پردازنده هاي گرافيکي (نظيرRadeon R9 Fury X). عليرغم اعلام دست يابيهاي موفقيت آميز گروههاي پژوهشي و شرکتهاي سازنده تراشه و بالغ شدن تکنيکهاي پشته سازي سه بعدي (TSVs) و فناوريهاي هم بندي پيشرفته، تراشههاي چند طبقه يا پشته سازي شده، به طور بسيار محدودي در دسترس هستند.
چرا سرعت پيشرفت پردازنده ها کاهش يافته است؟
چه بخواهيد تعداد بيشتري کارت گرافيک در کيس خود جاي دهيد و چه بخواهيد مدارهاي پردازشي بيشتري در درون تراشهها قرار دهيد، در هر دو مورد دو عامل بازدارنده به نام «دفع حرارت» و «تامين توان مورد نياز» (جريان رساني) وجود خواهد داشت. ابتدا با بحث دفع حرارت شروع ميکنيم. طي سالها، احتمالاً متوجه شدهايد که حداکثر توان حرارتي (TDP) پردازندههاي رده بالا تغييري نکرده و هنوز هم تراشههاي قدرتمند، انرژي زيادي مصرف و حرارت زيادي نيز توليد ميکنند. توان حرارتي پردازندهها در اواسط دهه آغازين 2000 با پردازنده Pentium D به 120 وات رسيد و از آن زمان تاکنون پيشرفت آن متوقف شده است. بر سر راه کاهش توان حرارتي تراشهها دلايل پيچيده متعددي وجود دارد اما دو مورد از آنها، اصليترين عوامل بازدارنده هستند که در ادامه به آنها ميپردازيم.
نخست اينکه هرچه تراشهها کوچکتر ميشوند، سطح تماس آنها با حرارت گيرها و خنک کنندهها کاهش مييابد و در نتيجه آن، دفع حرارت کمتر شده و به راهکارهاي دشوارتر و پيچيده تري لازم ميشود. دوم اينکه با کوچکتر شدن تراشهها، بخشهاي داغ تراشهها که از خوشههايي از ترانزيستورهاي فعال تري نسبت به ديگر بخشهاي تراشه تشکيل ميشوند، متراکم تر و داغتر ميشوند. از آنجايي که با کوچکتر شدن تراشهها، اين نقاط داغتر تراشه متراکم تر شده؛ يکبار ديگر ازمشکل اول (کاهش سطح تماس با حرارت گير) متاثر ميشوند. با کوچکتر شدن و متراکم تر شدن اين ترانزيستورهاي فعالتر و داغتر، دفع گرما از سطح آنها بسيار دشوارتر ميشود و نمي توان به سادگي حرارت را از سطح ترانزيستورها جذب و به لايه هاي بالايي و نهايتاً حرارت گير يا خنک کننده انتقال داد.
اکنون تصور کنيد که با روشهاي پيشرفته، دو پردازنده روي هم پشته سازي شوند، در اين حالت خنک کننده بادي (اير) و يا مايع (واتر کولر) معمولي ميتوانند پردازنده بالايي را خنک نگه دارند اما پردازنده زيرين ذوب ميشود. اما چه بايد کرد؟ هنگامي که اين نقطههاي داغ بر روي هم قرار ميگيرند چه اتفاقي ميافتد؟
مشکل ديگري بر سر راه پشته سازي تراشهها بر روي هم، «تامين توان مورد نياز» است که کمتر مورد توجه قرار گرفته است. آيا ميدانستيد يک پردازنده امروزي نظير سوکت LGA 1151، از مجموع 1151 پين (پايه) پردازنده، اغلب آنها براي تامين توان (انرژي) مورد نياز تراشه مورد استفاده قرار ميگيرد و تعداد کمتري صرف ارتباط با ديگر بخشهاي سيستم ميشود؟ براي درک بهتر اين موضوع به نمودار پايين توجه کنيد، تمامي مستطيلهايي که با حرف V شروع ميشوند (شامل VSS و VCC) براي تامين انرژي مورد نياز يک پردازنده Ivy Bridge اينتل متشکل از 640 ميليون ترانزيستور مورد استفاده قرار ميگيرند. همانطور که ميبينيد، اغلب پايههاي پردازنده تنها براي تامين توان مورد نياز آن مورد استفاده قرار ميگيرند. بر خلاف مدارهاي معمولي که مي توان ولتاژ زيادي را با شدت جريان بالايي به آنها رساند و سپس آن را در ولتاژها و با شدت جريان هاي لازم توزيع کرد؛ به دليل پيچيدگي هاي فراوان، اين امکان در مورد تراشه هاي پيشرفته وجود ندارد.
اگر شما بخواهيد يک پردازنده را بر روي ديگري پشته سازي کنيد، نه تنها بايد تعداد اين پايهها را در بخش زيرين تراشه به شدت افزايش دهيد، بلکه بايد راهي بيابيد که آنها را به تراشه بالايي به طور مستقيم وصل کنيد، زيرا به آساني نميتوان در ابعاد کوچک تراشهها، آنها را به لايه بالايي عبور داد. در حقيقت اين کار بسيار دشوار و از اصلي ترين مانع بر سر راه پشته سازي تراشهها است. به دليل همين محدوديت، اغلب تراشههاي فعلي که در آنها از پشته سازي سه بعدي بهره گرفته شده، لايه زيرين به پردازنده و لايه بالايي به حافظه رم اختصاص داده شده است، زيرا بر خلاف پردازنده، اغلب پايههاي حافظه رم را خطوط ارتباطي داده تشکيل مي دهند و تعداد بسيار کمي مربوط به جريان رساني است.
خون پنج بُعدي، کليد مشکلات
احتمالاً با خواندن تيتر فوق متوجه شدهايد که راه حل مشکلات مورد بحث به کدام سو ميرود. در آزمايشگاه تحقيقاتي IBM در زوريخ آلمان، پژوهشگران اين کمپاني بزرگ دنياي فناوري بر روي فناوري مشغول به کار هستند که ميتواند به طور هم زمان هر دو مشکل «تامين توان مورد نياز» و «دفع حرارت» را در تراشههايي که به صورت عمودي روي هم پشته سازي ميشوند بر طرف کند. هدف اصلي اين پروژه دست يابي به امکان ساخت هر گونه تراشه روي هم بدون اهميت نوع آن است. براي نمونه بتوان پردازنده گرافيکي را روي خود پردازنده مرکزي و در ارتباط مسقيم قرار داد و حتي بخشهاي ديگري نظير حافظه رم و حافظه ويدئويي را نيز به همان تراشه اضافه کرد.
در همين حال بايد گفت که IBM خود اين برنامه تحقيقاتي را پنچ بُعدي مينامد و از آنجايي که درک بالاتر از 3 بعد در دنياي ما دشوار و پيچيده است، احتمالاً برخي نسبت به آن نااميد ميشوند. اما خبر خوب اينکه پروژه پنج بعدي IBM نيازي به درک نظريههاي ريسمان و هندسه پيچيده ندارد، در پروژه پنج بعدي IBM، بُعد چهارم را تامين توان مورد نياز و بُعد پنجم را خنک سازي تشکيل ميدهد. پس خوشبختانه خبري از نظريههاي پيچيده فيزيک نيست.
همانطور که در ويدئو فوق مشاهد ميکنيد، پروژهشگران IBM مشغول کار بر روي «خون الکترونيکي» هستند که البته در گامهاي ابتدايي خود به سر ميبرد. با اين حال خون پنج بعدي IBM در حقيقت کار ميکند اما راه زيادي در پيش دارد. اين پژوهشگران موفق شدهاند که از طريق خون پنج بعدي، نزديک به 10 ميلي وات انرژي را براي تامين توان مورد نياز يک تراشه تامين کنند. از نظر تئوري اين خون که يک مايع الکتروليتي مي باشد، همانند خون بدن انسان، افزون بر انتقال مواد مورد نياز سلولها، در کنترل دما نيز نقش خواهد داشت و حرارت تراشه جذب ميکند. در همين حال با توجه به اينکه 10 ميلي وات انرژي زيادي نيست، اين تراشه حرارت قابل توجي توليد نميکند که از طريق خون پنج بعدي دفع شود.
خون پنج بعدي IBM قادر به حل مشکل تامين توان مورد نياز در تراشههاي چند طبقه است و احتمالاً دفع حرارت نيز مشکل جدي نيست. پروژه خون پنج بعدي IBM در اصل از پژوهشهاي اين کمپاني در دست يابي به خنک کنندههاي پيشرفته مبتني بر مايعات الهام گرفته است. همانطور که احتمالاً ميدانيد، IBM در صنعت ابر کامپيوترها يکي از برترينها است، حوزهاي که در آن دست يابي به راهکارهاي خنک سازي بهتر، ميتواند راه را براي دست يابي به جهشي عظيم درکارايي و بهره وري بالاتر از انرژي هموار سازد. بهره وري از انرژي در هر سيکل شارژ و دشارژ اين خون الکترونيکي بالاتر از 80 درصد اعلام شده که مطلوب به نظر ميرسد.
سد خوني مغزي
احتمالاً ميپرسيد که چرا IBM اين فناوري را خون پنج بعدي مينامد؟، خب بايد گفت که اين پروژه در اصل از پژوهشهاي صورت گرفته در حوزه بهره وري زيستي الهام گرفته شده است. فارغ از اينکه ترانزيستورهاي فعلي تا چه اندازه کوچک هستند و مدارهاي الکترونيکي چقدر سريعتر ميشوند، هنوز هم مغز حيوانات به مراتب بهره وري بالاتري از نظر ميزان قدرت پردازشي نسبت به انرژي مصرفي و چگالي دارند. شايد جالب باشد که بدانيد که قدرت پردازشي برخي از ابر کامپيوترهاي دنيا کمتر از مغز يک پستاندار معمولي است اما براي دست يابي به همين قدرت محاسباتي ناچيز، به 10،000،000 وات انرژي نياز است. از اين رو مغز پستانداردان بهره وري بسيار بالاتري نسبت به کامپيوترها دارند. براي نمونه مغز انسان با حداکثر توان پردازشي خود، چيزي حدود 20 الي 30 وات انرژي مصرف ميکند، بنابراين ابر کامپيوترها نسبت به مغز پستانداران، بسيار بزرگتر و پر مصرفتر هستند.
اين فاصله عظيم ميان بهره وري و چگالي که روز به روز بيشتر ميشود، احتمالاً توسط تراشههاي نرومورفيک (مغز مانند) و ديگر پيشرفتهاي انقلابي در حوزه مدارهاي محساباتي به هم متصل و کاهش مييابد. بدون شک دست يابي به چنين پيشرفتهاي شگرفي زمان بر خواهد بود. براي دست يابي به بهره وري (و احتمالاً هوش) هم سطح با مغز موجودات زنده، ما به روشها و فناوريهايي نياز داريم که بتوانيم ميليونها تراشه کامپيوتر را در فضايي نظير يک جعبه کفش و يا جمجمه انسان جاي دهيم. حيوانات از خون به عنوان راهکاري با بالاترين سطح از بهره وري در دنيا براي تحويل انرژي و خنک سازي استفاده کنند، پس چرا IBM نتواند چنين کاري کند؟
نظر شما در اين باره چيست، آيا در طول حيات خود، ما روزي شاهد تراشههايي خواهيم بود که ديگر نه از طريق مدارهاي چاپي و اتصال به برد PCB، بلکه از طريق خون در حال جريان تغذيه و خنک سازي ميشوند؟، فراموش نکنيد که نظرات، چشم اندازها و ايدههاي خود را با ما و ديگر دوستانتان به اشتراک بگذرايد.