با فناوری از جنس آینده آشنا شوید: خون الکترونیکی؛ راهگشای محدودیت‌ها و موانع در طراحی پردازنده‌ها

یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی که حوزه‌های در هم تنیده علوم کامپیو‌تر، الکترونیک و فناوری اطلاعات با آن مواجه هستند، «تراکم» است. اگر ساده‌تر بگوییم، بسیار دشوار است که اجزای دیجیتال بیشتری را در اندازه‌های فعلی جای داد. برای درک بهتر این مسئله کیس کامیپو‌تر رومیزی خود را در نظر بگیرید، این کیس‌ها معمولا گنجایشی تا 50 لیتر و حتی بیشتر دارند اما اگر کل اجزای درون کیس را روی هم بگذارید، جمعاً 10 درصد این فضا را اشغال نمی‌کنند، پس مشکل کجاست؟

این طراحان تراشه‌ها و قطعات کامپیو‌تر نیستند که نخواهند از فضای درون کیس کامپیو‌تر شما به طرز بهینه تری استفاده کنند، بلکه عملاً به دلایل فنی، فعلاً چنین امکانی وجود ندارد. در بهترین حالت می‌توانیم دو و یا سه کارت گرافیک را آن هم با بکارگیری خنک سازی توسط مایعات در کنار دو پردازنده رده بالا، در یک کیس معمولی جای دهیم، فرا‌تر از آن واقعاً دشوار است. البته مشکل فعلی؛ در دسترس نبودن کیس‌های بزرگ‌تر نیست، بلکه مشکلات جدی تر و بازدارنده ای وجود دارد.

در سال‌های اخیر شاهد افزایش روش‌های افزایش تراکم بوده‌ایم که یکی از آن‌ها، استکینگ (پشته سازی-سوار کردن) یک تراشه بر روی دیگری است. در همین حال سازندگان تراشه‌ها می‌کوشند تا محدودیت‌ها را فرا‌تر برده و بیش از یک تراشه را بر روی دیگری پشته سازی کنند، برای نمونه پردازنده مرکزی و گرافیکی در کنار هم و حافظه رم بر روی آن‌ها، و یا پشته سازی چهار و هشت تراشه HBM بر روی هم در پردازنده های گرافیکی (نظیرRadeon R9 Fury X). علی‎رغم اعلام دست یابی‌های موفقیت آمیز گروه‌های پژوهشی و شرکت‌های سازنده تراشه و بالغ شدن تکنیک‌های پشته سازی سه بعدی (TSVs) و فناوری‌های هم بندی پیشرفته، تراشه‌های چند طبقه یا پشته سازی شده، به طور بسیار محدودی در دسترس هستند.

چرا سرعت پیشرفت پردازنده ها کاهش یافته است؟
چه بخواهید تعداد بیشتری کارت گرافیک در کیس خود جای دهید و چه بخواهید مدارهای پردازشی بیشتری در درون تراشه‌ها قرار دهید، در هر دو مورد دو عامل بازدارنده به نام «دفع حرارت» و «تامین توان مورد نیاز» (جریان رسانی) وجود خواهد داشت. ابتدا با بحث دفع حرارت شروع می‌کنیم. طی سال‌های اخیر، احتمالاً متوجه شده‌اید که حداکثر توان حرارتی (TDP) پردازنده‌های رده بالا تغییری نکرده و هنوز هم تراشه‌های قدرتمند، انرژی زیادی مصرف و حرارت زیادی نیز تولید می‌کنند. توان حرارتی پردازنده‌ها در اواسط دهه آغازین 2000 با پردازنده Pentium D  به 120 وات رسید و از آن زمان تاکنون پیشرفت آن متوقف شده است. بر سر راه کاهش توان حرارتی تراشه‌ها دلایل پیچیده متعددی وجود دارد اما دو مورد از آن‌ها، اصلی‎ترین عوامل بازدارنده هستند که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

نخست اینکه هرچه تراشه‌ها کوچک‌تر می‌شوند، سطح تماس آن‌ها با حرارت گیر‌ها و خنک کننده‌ها کاهش می‌یابد و در نتیجه آن، دفع حرارت کمتر شده و به راهکارهای دشوارتر و پیچیده تری لازم می‌شود. دوم اینکه با کوچک‌تر شدن تراشه‌ها، بخش‌های داغ تراشه‌ها که از خوشه‌هایی از ترانزیستورهای فعال تری نسبت به دیگر بخش‌های تراشه تشکیل می‌شوند، متراکم تر و داغ‌تر می‌شوند. از آنجایی که با کوچک‌تر شدن تراشه‌ها، این نقاط داغ‌تر تراشه متراکم تر شده؛ یکبار دیگر ازمشکل اول (کاهش سطح تماس با حرارت گیر) متاثر می‌شوند. با کوچک‌تر شدن و متراکم تر شدن این ترانزیستورهای فعال‌تر و داغ‌تر، دفع گرما از سطح آنها بسیار دشوار‌تر می‌شود و نمی توان به سادگی حرارت را از سطح ترانزیستورها جذب و به لایه های بالایی و نهایتاً حرارت گیر یا خنک کننده انتقال داد.
اکنون تصور کنید که با روش‌های پیشرفته، دو پردازنده روی هم پشته سازی شوند، در این حالت خنک کننده بادی (ایر) و یا مایع (وا‌تر کولر) معمولی می‌توانند پردازنده بالایی را خنک نگه دارند اما پردازنده زیرین ذوب می‌شود. اما چه باید کرد؟ هنگامی که این نقطه‌های داغ بر روی هم قرار می‌گیرند چه اتفاقی می‌افتد؟
مشکل دیگری بر سر راه پشته سازی تراشه‌ها بر روی هم، «تامین توان مورد نیاز» است که کمتر مورد توجه قرار گرفته است. آیا می‌دانستید یک پردازنده امروزی نظیر سوکت LGA 1151، از مجموع 1151 پین (پایه) پردازنده، اغلب آن‌ها برای تامین توان (انرژی) مورد نیاز تراشه مورد استفاده قرار می‌گیرد و تعداد کمتری صرف ارتباط با دیگر بخش‌های سیستم می‌شود؟ برای درک بهتر این موضوع به نمودار پایین توجه کنید، تمامی مستطیل‌هایی که با حرف V شروع می‌شوند (شامل VSS و VCC) برای تامین انرژی مورد نیاز یک پردازنده Ivy Bridge اینتل متشکل از 640 میلیون ترانزیستور مورد استفاده قرار می‌گیرند. همانطور که می‌بینید، اغلب پایه‌های پردازنده تنها برای تامین توان مورد نیاز آن مورد استفاده قرار می‌گیرند. بر خلاف مدارهای معمولی که می توان ولتاژ زیادی را با شدت جریان بالایی به آنها رساند و سپس آن را در ولتاژها و با شدت جریان های لازم توزیع کرد؛ به دلیل پیچیدگی های فراوان، این امکان در مورد تراشه های پیشرفته وجود ندارد.

اگر شما بخواهید یک پردازنده را بر روی دیگری پشته سازی کنید، نه تنها باید تعداد این پایه‌ها را در بخش زیرین تراشه به شدت افزایش دهید، بلکه باید راهی بیابید که آن‌ها را به تراشه بالایی به طور مستقیم وصل کنید، زیرا به آسانی نمی‌توان در ابعاد کوچک تراشه‌ها، آن‌ها را به لایه بالایی عبور داد. در حقیقت این کار بسیار دشوار و از اصلی ترین موانع بر سر راه پشته سازی تراشه‌ها است. به دلیل همین محدودیت، اغلب تراشه‌های فعلی که در آن‌ها از پشته سازی سه بعدی بهره گرفته شده، لایه زیرین به پردازنده و لایه بالایی به حافظه رم اختصاص داده شده است، زیرا بر خلاف پردازنده، اغلب پایه‌های حافظه رم را خطوط ارتباطی داده تشکیل می دهند و تعداد بسیار کمی مربوط به جریان رسانی است.

خون پنج بُعدی، کلید مشکلات

احتمالاً با خواندن تیتر فوق متوجه شده‌اید که راه حل مشکلات مورد بحث به کدام سو می‌رود. در آزمایشگاه تحقیقاتی IBM در زوریخ آلمان، پژوهشگران این کمپانی بزرگ دنیای فناوری بر روی فناوری مشغول به کار هستند که می‌تواند به طور هم زمان هر دو مشکل «تامین توان مورد نیاز» و «دفع حرارت» را در تراشه‌هایی که به صورت عمودی روی هم پشته سازی می‌شوند بر طرف کند. هدف اصلی این پروژه دست یابی به امکان ساخت هر گونه تراشه روی هم بدون اهمیت نوع آن است. برای نمونه بتوان پردازنده گرافیکی را روی خود پردازنده مرکزی و در ارتباط مسقیم قرار داد و حتی بخش‌های دیگری نظیر حافظه رم و حافظه ویدئویی را نیز به‌‌ همان تراشه اضافه کرد.

در همین حال باید گفت که IBM خود این برنامه تحقیقاتی را پنچ بُعدی می‌نامد و از آنجایی که درک بالا‌تر از 3 بعد در دنیای ما دشوار و پیچیده است، احتمالاً برخی نسبت به آن نا‌امید می‌شوند. اما خبر خوب اینکه پروژه پنج بعدی IBM نیازی به درک نظریه‌های ریسمان و هندسه پیچیده ندارد، در پروژه پنج بعدی IBM، بُعد چهارم را تامین توان مورد نیاز و بُعد پنجم را خنک سازی تشکیل می‌دهد. پس خوشبختانه خبری از نظریه‌های پیچیده فیزیک نیست.

همانطور که در ویدئو فوق مشاهد می‌کنید، پروژهشگران IBM مشغول کار بر روی «خون الکترونیکی» هستند که البته در گام‌های ابتدایی خود به سر می‌برد. با این حال خون پنج بعدی IBM در حقیقت کار می‌کند اما راه زیادی در پیش دارد. این پژوهشگران موفق شده‌اند که از طریق خون پنج بعدی، نزدیک به 10 میلی وات انرژی را برای تامین توان مورد نیاز یک تراشه تامین کنند. از نظر تئوری این خون که یک مایع الکترولیتی می باشد، همانند خون بدن انسان، افزون بر انتقال مواد مورد نیاز سلول‌ها، در کنترل دما نیز نقش خواهد داشت و حرارت تراشه جذب می‌کند. در همین حال با توجه به اینکه 10 میلی وات انرژی زیادی نیست، این تراشه حرارت قابل توجهی تولید نمی‌کند که از طریق خون پنج بعدی دفع شود.

خون پنج بعدی IBM قادر به حل مشکل تامین توان مورد نیاز در تراشه‌های چند طبقه است و احتمالاً دفع حرارت نیز مشکل جدی نیست. پروژه خون پنج بعدی IBM در اصل از پژوهش‌های این کمپانی در دست یابی به خنک کننده‌های پیشرفته مبتنی بر مایعات الهام گرفته است. همانطور که احتمالاً می‌دانید، IBM در صنعت ابر کامپیوتر‌ها یکی از بر‌ترین‌ها است، حوزه‌ای که در آن دست یابی به راهکارهای خنک سازی بهتر، می‌تواند راه را برای دست یابی به جهشی عظیم  درکارایی و بهره وری بالا‌تر از انرژی هموار سازد. بهره وری از انرژی در هر سیکل شارژ و دشارژ این خون الکترونیکی بالا‌تر از 80 درصد اعلام شده که مطلوب به نظر می‌رسد.
سد خونی مغزی
احتمالاً می‌پرسید که چرا IBM این فناوری را خون پنج بعدی می‌نامد؟، خب باید گفت که این پروژه در اصل از پژوهش‌های صورت گرفته در حوزه بهره وری زیستی الهام گرفته شده است. فارغ از اینکه ترانزیستورهای فعلی تا چه اندازه کوچک هستند و مدارهای الکترونیکی چقدر سریع‌تر می‌شوند، هنوز هم مغز حیوانات به مراتب بهره وری بالاتری از نظر میزان قدرت پردازشی نسبت به انرژی مصرفی و چگالی دارند. شاید جالب باشد که بدانید که قدرت پردازشی برخی از ابر کامپیوترهای دنیا کمتر از مغز یک پستاندار معمولی است اما برای دست یابی به همین قدرت محاسباتی ناچیز، به 10،000،000 وات انرژی نیاز است. از این رو مغز پستانداردان بهره وری بسیار بالاتری نسبت به کامپیو‌تر‌ها دارند. برای نمونه مغز انسان با حداکثر توان پردازشی خود، چیزی حدود 20 الی 30 وات انرژی مصرف می‌کند، بنابراین ابر کامپیوتر‌ها نسبت به مغز پستانداران، بسیار بزرگ‌تر و پر مصرف‌تر هستند.

این فاصله عظیم میان بهره وری و چگالی که روز به روز بیشتر می‌شود، احتمالاً توسط تراشه‌های نرومورفیک (مغز مانند) و دیگر پیشرفت‌های انقلابی در حوزه مدارهای محاسباتی به هم متصل و کاهش می‌یابد. بدون شک دست یابی به چنین پیشرفت‌های شگرفی زمان بر خواهد بود. برای دست یابی به بهره وری (و احتمالاً هوش) هم سطح با مغز موجودات زنده، ما به روش‌ها و فناوری‌هایی نیاز داریم که بتوانیم میلیون‌ها تراشه کامپیو‌تر را در فضایی نظیر یک جعبه کفش و یا جمجمه انسان جای دهیم. حیوانات از خون به عنوان راهکاری با بالا‌ترین سطح از بهره وری در دنیا برای تحویل انرژی و خنک سازی استفاده کنند، پس چرا IBM نتواند چنین کاری کند؟

نظر شما در این باره چیست، آیا در طول حیات خود، ما روزی شاهد تراشه‌هایی خواهیم بود که دیگر نه از طریق مدار‌های چاپی و اتصال به برد PCB، بلکه از طریق خون در حال جریان تغذیه و خنک سازی می‌شوند؟، فراموش نکنید که نظرات، چشم انداز‌ها و ایده‌های خود را با ما و دیگر دوستانتان به اشتراک بگذراید.

منبع: arstechnica