أصبحت وحدات المعالجة المركزية أسرع على مر السنين بفضل المكونات الأصغر حجمًا. ولكن بينما نتجه نحو الحد الأقصى الذي يمكن أن تصل إليه الدوائر الصغيرة، إلى أين نذهب؟ إحدى الإجابات هي جعل حجم رقائقك “بحجم الرقاقة”.
ما هو “مقياس الرقاقة”؟
يتم إنشاء أجهزة الدوائر المتكاملة مثل وحدات المعالجة المركزية (CPUs) من بلورات السيليكون. لإنشاء جهاز، يتم تقطيع بلورة سيليكون أسطوانية ضخمة إلى شرائح دائرية. ثم يتم حفر شرائح متعددة على سطح الرقاقة. بمجرد الانتهاء من الرقائق، يتم اختبارها للعثور على الوحدات المعيبة، ويتم وضع علامة عليها.
يتم قطع رقائق العمل من الرقاقة وتعبئتها كمنتجات نهائية ليتم بيعها. “العائد” هو عدد رقائق العمل التي تحصل عليها من الرقاقة. أي جزء من الرقاقة يتم إهداره بسبب فشل الرقائق أو لأنه غير مقطوع، يجب استرداده من خلال الأموال المكتسبة من الرقائق العاملة.
تستخدم شريحة الرقاقة الرقاقة الكاملة لمعالج واحد. تبدو فكرة عظيمة، ولكن كانت هناك بعض المشاكل الخطيرة.
بدت رقائق الويفر على نطاق واسع مستحيلة
كانت هناك عدة محاولات “لدمج” رقاقة السيليكون بأكملها على مر السنين. المشكلة هي أن العملية المستخدمة لصنع الرقائق الدقيقة غير كاملة. في أي رقاقة مكتملة، لا بد أن تكون هناك عيوب.
إذا قمت بطباعة نسخ متعددة من نفس الشريحة على رقاقة، فإن القليل من النسخ المكسورة ليست نهاية العالم. ومع ذلك، يجب أن تكون وحدة المعالجة المركزية الواحدة خالية من العيوب حتى تعمل. لذا، إذا حاولت دمج الرقاقة بأكملها، فإن تلك العيوب التي لا يمكن تجنبها ستجعل الشريحة العملاقة بأكملها عديمة الفائدة.
للتغلب على هذه المشكلة، كان على المهندسين إعادة التفكير في كيفية تصميم معالج ضخم يهدف إلى العمل كوحدة متكاملة. حتى الآن تمكنت شركة واحدة فقط من صنع معالج يعمل على نطاق الرقاقة وكان عليهم حل المشكلات الفنية الخطيرة لتحقيق ذلك.
سيريبراس WSE-2
سيريبراس سيستمز محرك على نطاق الويفر 2 هي شريحة ضخمة للغاية. وتستخدم عملية 7 نانومتر، وهي تشبه رقائق 7 و5 نانومتر الموجودة في أجهزة مختلفة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية.
تم تصميم WSE-2 كشبكة من النوى التي ترتبط جميعها ببعضها البعض من خلال شبكة ضخمة من الوصلات البينية عالية السرعة. يمكن لجميع هذه الشبكة من الوحدات الأساسية للمعالج التواصل، حتى لو كانت بعض النوى معيبة. تم تصميم WSE بطريقة تجعل عدد النوى أكبر من المعلن عنه، بما يتماشى مع العائد المتوقع من كل رقاقة. وهذا يعني أنه على الرغم من أن كل شريحة بها عيوب، إلا أنها لا تؤثر على الأداء المصمم على الإطلاق.
تم تصميم WSE-2 خصيصًا لتسريع تطبيقات الذكاء الاصطناعي التي تستخدم تقنية التعلم الآلي المعروفة باسم “التعلم العميق”. بالمقارنة مع أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحالية المستخدمة في مهام التعلم العميق، فإن WSE-2 أسرع من حيث الحجم، مع استخدام طاقة أقل.
مزايا وحدات المعالجة المركزية على نطاق الرقاقة
تحل وحدات المعالجة المركزية (CPUs) ذات الحجم الرقاق العديد من المشكلات المتعلقة بتصميم الكمبيوتر العملاق الحالي. يتم إنشاء أجهزة الكمبيوتر العملاقة من العديد من أجهزة الكمبيوتر الصغيرة والأبسط المرتبطة ببعضها البعض. من خلال تصميم المهام بعناية لهذا النوع من التصميم، من الممكن إضافة كل تلك القوة الحاسوبية معًا.
ومع ذلك، يحتاج كل كمبيوتر في مصفوفة الكمبيوتر العملاق هذه إلى مكونات داعمة خاصة به، كما أن زيادة المسافة بين العديد من حزم وحدة المعالجة المركزية الفردية في تلك الشبكة تؤدي إلى العديد من مشكلات الأداء وتحد من أنواع أعباء العمل التي يمكن تنفيذها في الوقت الفعلي.
تجمع وحدة المعالجة المركزية بحجم الرقاقة بشكل فعال بين قوة المعالجة لعشرات أو مئات من أجهزة الكمبيوتر في دائرة متكاملة واحدة، مدفوعة بمصدر طاقة واحد، وكلها موجودة في هيكل واحد. والأفضل من ذلك، أنه لا يزال بإمكانك ربط العديد من أجهزة الكمبيوتر ذات الحجم الرقاق معًا لإنشاء كمبيوتر فائق تقليدي، ولكن بشكل أسرع بشكل كبير.
وحدات المعالجة المركزية على نطاق الرقاقة بالنسبة لبقيتنا؟
من غير المرجح أن نحصل على أي نوع من المنتجات على نطاق الرقاقات للمستخدمين العاديين الذين لا يحاولون بناء كمبيوتر فائق السرعة، ولكن هناك عناصر من فلسفة “الأكبر هو الأفضل” الواضحة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية أيضًا.
ومن الأمثلة الرائعة على ذلك نظام M1 Ultra System-on-a-chip (SoC) من Apple، وهو عبارة عن شريحتي M1 Max SoC متصلتين بواسطة اتصال بيني عالي السرعة، والذي يتم تقديمه كنظام واحد مع ضعف الموارد.
وقد استفادت تصميمات وحدة المعالجة المركزية من AMD أيضًا من “شرائح صغيرة“، وهي وحدات أساسية لوحدة المعالجة المركزية يمكن تصنيعها بشكل مستقل ثم “لصقها” معًا باستخدام نوع آخر من التوصيل البيني عالي السرعة. الآن وقد تتوقف الدوائر عن الصغر في وحدات المعالجة المركزية، فقد حان الوقت لبنائها وربما حتى للأعلى، مع تصميمات دوائر ثلاثية الأبعاد معقدة، بدلاً من الدوائر ثنائية الأبعاد الأكثر شيوعًا التي نستخدمها اليوم.