آیا کماکان قانون مور در سال ۲۰۲۰ و دنیای گوشی‌های هوشمند برقرار است؟
پردازندهی گوشی‌های هوشمند شاید قدرت پردازشی سخت‌افزارهای کامپیوتر شخصی یا سرور را نداشته باشد، اما این تراشه‌های کوچک همیشه پیش‌گام توسعه‌های نوآورانه‌ی صنعت بوده‌اند. درواقع، روش‌های جدید تولید اکثرا ابتدا با پردازندههای موبایلی توسعه یافته‌اند. تراشه‌های گوشی هوشمند اولین تراشه‌ها با روش تولید ۱۰ و هفت نانومتری بودند و احتمالا اولین نمونه‌های پنج نانومتری هم در همین دسته تولید خواهند شد. روش‌های تولید پیشرفته، مسیر را برای افزایش بازدهی پردازنده‌ها هموار می‌کنند و دستاوردهای نوآورانه‌ی دیگر همچون تراشه‌های کوچک‌تر با چگالی بیشتر ترانزیستور نیز با آنها ممکن می‌شود.
نمی‌توان از مفاهیمی همچون نانومتر و چگالی ترانزیستور صحبت کرد و اشاره‌ای به قانون مور نداشت. قانون مور، به‌طور خلاصه پیشرفتی ثابت را در فناوری‌های پردازشی پیش‌بینی می‌کرد. سرعت کوچک شدن تراشه‌ها از ۱۴ نانومتر به ۱۰ نانومتر، اغلب با پیش‌بینی‌های مور مقایسه می‌شود و برخی با استناد به آن، کاهش سرعت پیشرفت فناوری را نتیجه‌گیری می‌کنند. ازطرفی از سال ۲۰۱۰، تفسیرهای گوناگونی مبنی بر انقضای قانون مور مطرح شد. اکنون در سال ۲۰۲۰ قرار داریم و تحلیل این پیش‌بینی، خالی از لطف نخواهد بود.
قانون مور چیست؟
گوردون مور، هم‌بنیان‌گدار فیرچایلد سمی‌کانداکتر و مدیرعامل اینتل، در سال ۱۹۶۵ مقاله‌ای تاریخی منتشر کرد. او در مقاله‌ی خود پیش‌بینی کرده بود که تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع، هرسال دوبرابر می‌شود. نرخ پیشرفتی که مور مطرح کرده بود، تا سال ۱۹۷۵ صادق بود. او در آن سال یک بازنگری در نظریه‌ی خود مطرح کرد و دوره‌ی زمانی دوبرابر شدن چگالی را به دو سال افزایش داد.
ترانزیستورها، قطعات الکترونیکی کوچک موجود در پردازنده‌ها و دیگر مدارهای مجتمع هستند که نقشی شبیه به سوئیچ دیجیتال دارند. اگرچه تعداد آنها لزوما ارتباط مستقیم با قدرت پردازش ندارد، اما هرچه پردازنده‌ها بیشتر باشند، ظرفیت و توانایی تراشه بیشتر می‌شود. ظرفیت و توانایی می‌تواند به‌صورت قدرت پردازشی یا ظرفیت‌ها دیگر تفسیر شود. درنتیجه می‌توان به‌طور کلی ادعا کرد که نظریه‌ی مور، دوبرابر شدن ظرفیت‌ها و توانایی‌ها پردازنده را در هر دو سال، پیش‌بینی کرده بود.
قانون مور در دهه‌های متمادی صادق بود و بخش عمده‌ای از آن به‌خاطر توسعه در فناوری‌های تولید تراشه (Process Node) ممکن می‌شد. به‌بیان دیگر، ترانزیستورها در داخل تراشه‌ها، سال به سال با کاهش ابعاد روبه‌رو می‌شدند و درنتیجه چگالی آنها بیشتر می‌شد. فناوری‌های تولید از ۶ میکرومتر در سال ۱۹۷۶ به هفت نانومتری در سال ۲۰۱۹ توسعه یافتند. به‌بیان دیگر، تراشه‌ای شبیه به محصول سال ۱۹۷۶، در دوران کنونی با ابعاد حدود ۸۵۰ برابر کوچک‌تر تولید می‌شود.
یکی از فاکتورهای مهمی که باعث موفقیت قانون مور شد، نظریه‌ی مقیاس‌دهی دنارد بود. مقاله‌ای که در سال ۱۹۷۴ با همراهی رابرت دنارد نوشته شد، پیش‌بینی می‌کرد که کارایی به‌ازای هر وات در پردازنده‌ها، در دوره‌های ۱۸ ماهه دوبرابر می‌شود. بخشی از دلیل این افزایش کارایی، به‌خاطر کوچک شدن ابعاد سوئیچ‌های ترانزیستوری بود. به همین دلیل، پردازندههای کوچک‌تر، بازدهی قدرت بالاتری هم دارند. به‌هرحال این نرخ از سال ۲۰۰۰ روند کاهشی پیدا کرد. روش‌های تولید نانومتری، با نزدیک شدن به محدودیت‌های فیزیکی، دیگر بهبود بازدهی آن‌چنانی را نشان نمی‌دهند و به‌نوعی نرخ افزایش بازدهی آنها کند شده است.
تعداد ترانزیستورها
لزوما همه‌ی تولیدکننده‌های تراشه، تعداد ترانزیستورهای موجود در پردازنده‌ها را اعلام نمی‌کنند. درواقع چنین آماری منطق و کارایی آن‌چنانی ندارد. البته، خوشبختانه اپل و هواوی تعداد تخمینی را برای جدیدترین تراشه‌های خود اعلام کرده‌اند.
با نگاهی اولیه به تعداد ترانزیستورها در پردازندههای موبایلی مدرن متوجه می‌شویم که آنها کمی از قانون مور عقب مانده‌اند. پردازندهی هواوی کرین ۹۵۰ در سال ۲۰۱۵ به سه میلیارد تراتزیستور مجهز بود. آمار مذکور در سال ۲۰۱۷ و برای پردازندهی کرین ۹۷۰ به ۵/۵ میلیارد رسید که کمی از دو برابر، کمتر بود. کرین ۹۹۰ نیز در سال ۲۰۱۹ با ۱۰ میلیارد ترانزیستور معرفی شد. درنتیجه باز هم شاهد افزایش نزدیک به دوبرابر بودیم.
در سال ۲۰۱۵، مدیرعامل وقت اینتل، برایان کرزانیچ گفت که دوبرابر کردن تعداد ترانزیستور در پردازندههای شرکت، حدود ۲/۵ سال زمان نیاز داشته است. ظاهرا صنعت موبایل، سرعتی کمی بیشتر دارد، اما در کل در آن صنعت هم زمانی بیشتر از دو سال برای دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها نیاز خواهد بود.
تعداد و چگالی ترانزیستورها در تراشه‌های موبایلی تقریبا از قانون مور پیروی می‌کند
وقتی چگالی ترانزیستورها را در میلی‌متر مربع بررسی کنیم، پردازندههای موبایلی (موسوم به SoC) وفاداری بهتری به قانون و پیش‌بینی مور دارند. هواوی در خلال سال‌های ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸، تعداد ترانزیستور در هر میلی‌متر مربع را از ۳۴ به ۹۳ میلیون رساند که افزایش حدود سه‌برابری را نشان می‌دهد. چنین پیشرفتی به‌خاطر تغییر روش تولید از ۱۶ به هفت نانومتر ممکن شد. جدیدترین پردازندهی شرکت یعنی کرین ۹۹۰ هم چگالی را به ۱۱۱ میلیون رساند که تقریبا دوبرابر چگالی ۵۶ میلیونی کرین ۹۷۰، محصول سال ۲۰۱۷ بود. با نگاهی به پیشرفت اپل در سال‌های اخیر هم شاهد همین افزایش تعداد ترانزیستور در میلی‌متر مربع هستیم.
قانون مور هنوز در تراشه‌های موبایلی مدرن، صادق است. دقیق بودن یک پیش‌بینی متعلق به سال ۱۹۷۵ در سال ۲۰۲۰، هنوز جذاب و شگفت‌انگیز به‌نظر می‌رسد. حرکت صنعت به‌سمت فناوری پنج نانومتری در پایان سال ۲۰۲۰ یا ابتدای ۲۰۲۱ ممکن می‌شود. درنتیجه در سال آینده هم شاهد افزایش چگالی ترانزیستورها خواهیم بود. البته، حرکت به‌سمت فناوری سه نانومتری و کوچک‌تر از آن، قطعا در میانه‌ی دهه‌ی حاضر و ادامه‌ی آن، دشوار خواهد بود. درواقع هنوز می‌توان شکست قانون مور را تا پیش از سال ۲۰۳۰ پیش‌بینی کرد.
پیشرفت تعداد ترانزیستور در تراشه (آبی: پردازندهی اپل - زرد: پردازندهی هواوی)
پیشرفت قدرت و کارایی
تعداد ترانزیستور در پردازنده‌ها یک فاکتور مهم در بررسی پیشرفت فناوری محسوب می‌شود، اما بدون افزایش قدرت، آن‌چنان کارایی ندارد. بنچمارک‌های متعدد، پیشرفت قدرت و کارایی پردازندههای موبایلی را در سال‌های گذشته نشان می‌دهند و می‌توان بررسی عمیقی از روند توسعه به‌دست آورد.
بنچمارک انتوتو از کارایی کلی سیستم موبایلی ادعا می‌کند که حداکثر کارایی سیستم از سال ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸، دوبرابر شده است. از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۱۹ نیز تقریبا شاهد دوبرابر شدن قدرت بوده‌ایم. بنچمارک Basemark OS نیز تقریبا همین روند پیشرفت را در تراشه‌های پرچم‌دار صنعت نشان می‌دهد.
قدرت پردازنده‌ها تقریبا هر دو سال، دوبرابر می‌شود
نگاهی دقیق‌تر به بنچمارک پردازنده‌ها نشان می‌دهد که در سال ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ شاهد افزایش قابل‌توجه سرعت و کارایی تک‌هسته‌ای آنها بوده‌ایم. بخش عمده‌ای از این پیشرفت به‌خاطر استفاده از هسته‌های سریع‌تر Arm Cortex-A و پیاده‌سازی روش‌های تولید کوچک‌تر بود. درواقع ظاهرا قانون مور در این بخش صادق است. پردازندههای گرافیکی نیز روند مشابهی را نشان می‌دهند و از سال ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸، شاهد دوبرابر شدن قدرت پردازشی آنها بوده‌ایم. تفاوت بین سال ۲۰۱۷ و ۲۰۱۹ نیز تقریبا به دوبرابر نزدیک بود.
مجموع داده‌های استخراج‌شده از بنچمارک‌ها نشان می‌دهد که در کارایی و سرعت، لزوما شاهد دوبرابر شدن فاکتورها هر دو سال یک‌بار نبوده‌ایم. اگرچه پیشرفت‌های آن‌چنان هم کند نبوده‌اند. به‌هرحال در سال‌های پیش‌رو باید منتظر داده‌ها و بررسی‌های بیشتر باشیم تا ادامه‌دار بودن یا مرگ قانون مور را در بخش قدرت و کارایی بررسی کنیم.
پیشرفت بنچمارک انتوتو پردازندههای موبایلی (آبی: پرچم‌دار - زرد: میان‌رده - قرمز: اقتصادی)
کاربرد ترانزیستورها
بررسی تکی پردازندههای اصلی و گرافیکی، کاربرد اصلی استفاده از تعداد زیادی ترانزیستور را تحلیل نمی‌کند. پردازندههای موبایلی SoC درواقع محصولات فناورانه‌ی بسیار پیچیده‌ای هستند. آنها شامل قطعات و تجهیزات بسیار متنوع همچون مودم‌های بی‌سیم و پردازندههای سیگنال تصویر (ISP) و پردازندههای یادگیری ماشین می‌شوند که در ترکیب با ساختارهای پردازشی دیگر، تراشه‌ای کاملا پیچیده را نشان می‌دهد.
در سال‌های گذشته، قدرت پردازشی تصویر تراشه‌ها پیشرفت گسترده‌ای داشته است و هرساله به تعداد حسگرهای قابل پشتیبانی در پردازنده‌ها افزوده می‌شود. چنین پیشرفتی به ISPهای بزرگ‌تر نیاز دارد. به‌علاوه، تراشه‌های مدرن، سرعت بیشتری را در اتصال 4G LTE ارائه می‌کنند و برخی از آنها اکنون به مودم‌های 5G نیز مجهز شده‌اند. در بخش‌های دیگر همچون اتصال‌های بلوتوث و وای‌فای هم شاهد پیشرفت‌های قابل‌توجهی بوده‌ایم. فراموش نکنید که آن بخش‌ها نیز فضایی را در سیلیکون تراشه اشغال می‌کنند. پردازندههای یادگیری ماشین یا هوش مصنوعی نیز سال به سال قدرتمندتر می‌شوند و اکنون، کارایی‌های بسیار زیادی دارند.
تراشه‌ی گوشی‌های هوشمند امروز قوی‌تر از همیشه است و قابلیت‌ها و چگالی بیشتری هم دارد. همه‌ی این پیشرفت‌ها به‌خاطر زنده بودن قانون مور در صنعت گوشی‌های هوشمند ممکن شده است. درنهایت، فعلا می‌توان زنده بودن قانون را تأیید کرد، اما شاید در چند سال آینده، شاهد کاهش سرعت پیشرفت پردازندههای موبایلی باشیم.
نظرات