تعداد ترانزیستور و تراکم آن در تراشه‌های اپل و اینتل چه ارتباطی با عملکرد تراشه دارد؟

مقدمه و توضیح ابهامی که در بحث تعداد ترانزیستور وجود دارد: یکی از روش‌های مقایسه‌ی تراشه‌های اینتل، ای‌ام‌دی و اپل و دیگران، استفاده از تعداد ترانزیستور و تراکم ترانزیستور در سطح چیپ است.

اما این روش چه قدر درست است؟ در ادامه به پاسخ این سوال اساسی می‌پردازیم.

برگی از تاریخ، مقایسه تعداد ترانزیستور از کجا شروع شد؟

یکی از راه‌های مقایسه‌ی تراشه‌ها بررسی تعداد ترانزیستورهای هر تراشه است. اما این روش مقایسه که متأسفانه در وب‌سایت‌های تخصصی ایران ما هم تا حدی رواج یافته یک روش کامل نیست. به عبارت دیگر فقط تعداد ترانزیستور نیست که مهم است بلکه معماری کلی تراشه و حتی نوع طراحی ترانزیستورها و ارتباطات هر ترانزیستور هم بسیار مهم هستند.

روش غلطی که مرسوم شده، ریشه‌ای چند ساله دارد. کمپانی‌های تولید کننده‌ی تراشه مثل TSMC تایوان یا سامسونگ و نیز کمپانی‌هایی که محصولات خود را خودشان می‌سازند (مثل اینتل) در این چند ساله تعداد ترانزیستور و اصطلاح دیگری به نام تراکم ترانزیستور را در معرفی محصولات خود ذکر می‌کنند. این روش در گذشته بد نبود اما حالا داستان کمی متفاوت است چرا که حرکت موازی TSMC و اینتل و سامسونگ، همچون گذشته دنبال نمی‌شود. در تصویر زیر هم تعداد ترانزیستورهای Kaveri ذکر شده که نوعی تبلیغ قدرت پردازشی تراشه است:

شاید یکی دو مثال ساده موضوع را کاملاً روشن کند. بحث فقط در خصوص پردازنده نیست بلکه حافظه‌ها هم متفاوت شده‌اند. سامسونگ از حافظه‌های NAND عمودی خود استفاده می‌کند که تراکم و فضای ذخیره‌سازی محصول را افزایش می‌دهد در حالیکه سایر سازندگان روش قدیمی‌تری دارند.

در دنیای تراشه هم Core M را مثال می‌زنم. اینتل با معرفی اولین تراشه‌های 14 نانومتری خود یعنی خانواده‌ی Broadwell-Y نشان داد که می‌تواند با مصرف انرژی بسیار کم، تقریباً تمام رقبا را مغلوب کند.

یکی از نکات همین تراکم ترانزیستور است. Core M با مساحت 82 میلی‌متر مربعی دارای 1.3 میلیارد ترانزیستور است که با لیتوگرافی انحصاری اینتل یعنی ترانزیستورهای Tri-Gate یا سه بعدی (3D) تولید شده است. محصول دیگر تراشه‌ی قدرتمند A8 اپل است که در دو آیفون 6 عملکرد بسیار خوب خود را نمایان کرده است. این تراشه مساحت 89 میلی‌متر مربعی دارد و 2 میلیارد ترانزیستور روی آن دیده می‌شود.

سوال، Core M اینتل بهتر است یا A8 اپل؟

اگر از منظر ترانزیستوری نگاه کنیم، عجیب به نظر می‌رسد که A8 با لیتوگرافی 20 نانومتری TSMC حدود 1.6 برابر بیشتر از Core M با لیتوگرافی پیشرفته‌ی 14 نانومتری اینتل ترانزیستور دارد و در نگاه اول باور می‌کنیم که A8 اپل فراتر از عالی است. اما بنچ‌مارک‌های اولیه‌ی Core M فراتر از تصور اپل، کوآلکام و سامسونگ و حتی انویدیا ظاهر شده‌اند. شاید توان مصرفی 4.5 واتی که اینتل اعلام کرده از واقعیت دور باشد ولی اگر توان مصرفی هم یکسان باشد، چطور ممکن است Core M 2 الی 3 برابر رقبا سریع باشد؟

پاسخ کمی پیچیده است و دلایل مختلفی پشت اعداد و ارقام تبلیغاتی پنهان شده‌ است که یک به یک بررسی می‌کنم.

ترانزیستورها یکسان نیستند

اولین و جالب‌ترین فاکتور از نگاه من تفاوت تکنولوژی تولید تراشه است. اینتل قطعاً در تولید تراشه به جایی رسیده که رقبا به سختی می‌توانند با آن رقابت کنند.

در میان رقبای اینتل، AMD شاید تنها موردی است که با معرفی HSA، hUMA و واسط برنامه‌نویسی Mantle که به نوعی رقیب و جایگزینی جالب برای DirectX است، اقدامات جسورانه و خلاقانه‌ای در دستور کار قرار داده است.

چندی پیش می‌خواندم که اینتل بزرگ هم به منتل ای‌ام‌دی علاقه نشان داده و شاید روزی برسد که اینتلی‌ها هم در HSA عالی ظاهر شوند.

نه تنها ترانزیستورها یکسان نیستند بلکه بخش‌های مختلف یک تراشه هم یکسان نیستند و همگی به یک اندازه اسکیل یا مقیاس نمی‌شوند. مثلاً در بررسی تراشه‌ی A8 توسط چیپ‌ورکس برایتان نقل کردم که کش L2 همچنان گذشته 4 مگابایت است ولیکن شماتیک تراشه‌ی A7 و A8 اپل را که مقایسه کردیم، دیدیم که بخش کش از نظر مساحت چندان کوچک‌تر از قبل نیست حال آنکه لیتوگرافی 28 نانومتری جای خود را به 20 نانومتری داده است.

در مقابل بخش پردازنده‌ی گرافیکی با توجه به افزایش کارایی در حدود 50 درصد، همان مساحت سابق را داشت و این یعنی بخش گرافیک به خوبی اسکیل شده است.

نمودار زیر نشان می‌دهد که تراکم حافظه‌ی SRAM در دو لیتوگرافی 16 نانومتری و 28 نانومتری چگونه است. محور عمودی مقدار حافظه در یک میلی‌متر مربع را نمایش می‌دهد و محور افقی سرعت کلاک حافظه را.

کمی به نمودار فوق دقت کنید، وقتی سرعت 500 مگاهرتز باشد، تراکم کش با لیتوگرافی 16 نانومتری حدود 60 درصد بیشتر از لیتوگرافی 28 نانومتری است. اما در سرعت کلاک 1550 مگاهرتز این تفاوت عظیم به 10 درصد کاهش می‌یابد!

نه تنها نوع ترانزیستور و بخش مورد نظر از تراشه مهم است بلکه سرعت کلاک هم در کوچک شدن و تراکم بیشتر ترانزیستورها اثرگذار است.

ترانزیستور بیشتر لزوماً به معنی قدرت پردازشی بالاتر نیست

روی یک سیستم روی چیپ یا SoC چند بخش مختلف داریم که تنها دو مورد آن پردازنده‌ی اصلی و گرافیکی است. بخش مودم، ورودی و خروجی‌ها، کنترلر حافظه، کش، پردازنده‌ی سیگنال تصویری برای استفاده از دوربین و مواردی از این دست هیچ ارتباط مستقیمی با کارایی کلی تراشه ندارند. به همین علت است که ممکن است تراشه‌ای با ترانزیستورهای بسیار بیشتر، عملکردی در حد تراشه‌های کوچک‌تر و ارزان‌تر ارایه دهد.

قانونی موسوم به قانون مور و تئوری اسکیل شدن Dennard در سالی مثل 2000 می‌گفت که با پیشرفت لیتوگرافی، می‌توان ترانزیستورهای بیشتری در همان فضای قبلی جای داد و توان مصرفی این مجموعه کمتر از گذشته است حال آنکه در سرعت کلاک بالاتر هم فعالیت می‌کند. این قاعده تا چند سال پیش موفق و منطقی بود اما حالا این طور نیست. یک مشکل ساده حرارت تولید شده است که باید به گونه‌ای از سطح کوچک‌تر ترانزیستورها دفع شود.

پیدایش پدیده‌ی نقاط داغ یا Hot Spot

مثال ساده‌ی آن مشکلی است که در Ivy Bridge اینتل شاهد بودم. Core i7 -3770K پردازنده‌ی پرچم‌دار آیوی بریج عملاً بسیار داغ می‌شد و اورکلاک کردن آن با خنک‌کاری معمولی بسیار مشکل بود. این تراشه لیتوگرافی 22 نانومتری دارد و از نظر معماری تقریباً می‌توان گفت که همان Sandy Bridge اینتل با لیتوگرافی 32 نانومتر است که کوچک‌تر شده. اما همین کوچکی مشکل دفع حرارت را پدید آورده است و به همین دلیل Core i7های سندی بریج نسبت به آیوی بریج در اورکلاک و دمای کاری بهتر ظاهر می‌شوند.

به تصویر جالب زیر توجه کنید که یکی از کلاور تریل‌های خانواده‌ی اتم اینتل را نشان می‌دهد. دمای دو هسته‌‌ی CPU را در تصویر حرارتی تراشه هنگام کار ببینید تا متوجه شکل‌گیری Hot Spot یا نقاط داغ شوید:

 ترانزیستور بیشتر در خدمت کاهش توان مصرفی

در گذشته وقتی ترانزیستورها بیشتر می‌شد، گمان می‌کردیم که تعداد هسته‌ها یا حافظه‌ی کش بیشتر شده و تراشه سریع‌تر است اما حالا وقتی ترانزیستورهای بیشتر می‌شوند، به این فکر می‌کنیم که طراحی به چه شکل بوده و برای کاهش مصرف انرژی از چه راهکارهایی استفاده شده است. منظورم منطق کنترل توان مصرفی یا به اصطلاح Power Gating است. مثلاً در ساختار big.LITTLE تراشه‌های 8 هسته‌ای سامسونگ، عملاً دو گروه 4 هسته‌ای داریم که معمولاً 4 هسته بی‌کار هستند و 4 هسته‌ی دیگر فعالیت خود را ادامه می‌دهند. در این روش بخشی از تراشه و به عبارتی تعداد کثیری از ترانزیستورها بی‌کار هستند.

اعداد و ارقام غیرواقعی و تبلیغاتی

یادم است در سال 2011 هم ای‌ام‌دی در هنگام معرفی محصولات جدید خود که معماری آن را بولدوزر گذاشته بود و به ظاهر می‌خواست با تراشه‌های 8 هسته‌ای تمام محصولات اینتلی را مغلوب کند، تعداد ترانزیستورهای یک تراشه 2 میلیارد عدد عنوان شده بود اما چندی بعد و پس از انتشار بنچ‌مارک‌های دقیق، مشخص شده که 8 هسته‌ای‌ها نه تنها در برابر 4 هسته‌ای‌های اینتل ضعف نشان می‌دهند بلکه ترانزیستورها هم فقط 1.2 میلیارد است که در آن نسبت به اکستریم‌های اینتلی بسیار پایین‌تر بود.

در خصوص کاوری هم که پیشتر بررسی کردم، همین شک و شبهه وجود دارد. کاوری از نظر گرافیکی بسیار عالی است اما باور کردن این ادعا که ترانزیستورهای آن با وجود تغییر کم سطح تراشه، بسیار بیشتر از محصولات قبلی ای‌ام‌دی است، مشکل است.

این اتفاق در مورد Core M هم ممکن است اتفاق افتاده باشد چرا که اینتل در ابتدا عدد 1.3 را عنوان کرد و چند هفته بعد از زبان مارک بور شنیدیم که کور ام حدود 1.9 میلیارد ترانزیستور دارد! با 2 میلیاردی که اپل اعلام کرده مقایسه کنید تا متوجه منظورم شوید.

برگ آخر داستان

در مجموع به این جمع‌بندی می‌رسیم که نباید به تعداد ترانزیستور، مقدار کش، تعداد هسته‌ها، تعداد واحد بافت و تعداد کنترلر حافظه توجه کرد. این موارد همگی با هم می‌توانند نمایشی از قدرت پردازشی و امکانات یک تراشه یا سیستم روی چیپ باشند اما به تنهایی هیچ معنی خاصی ندارند.

موضوع این نیست که اینتل یا اپل ارقام غیر واقعی منتشر کرده‌اند، در این چند ساله کمتر دیده‌ام که اپل یا اینتل از این روش تبلیغاتی استفاده کنند، موضوع این است که همیشه باید صبر کنیم و ببینیم یک تراشه‌ی جدید با چه توان مصرفی، چه قدرت پردازشی دارد. مثلاً اگر Core M اینتل به اندازه‌ی رقبا توان الکتریکی مصرف کند و عملکرد آن در بنچ‌مارک‌ها بهتر باشد، مطمئناً تحسین‌برانگیز است ولیکن اگر با توان مصرفی چند برابری به نتایج جالب رسیده باشد، نه تنها خوب نیست بلکه همچنان گذشته رقبای آن پیروز میدان هستند.

اینتوتک