قانون مور؛ همچنان پابرجا

سازندگان تراشه نمی‌توانند برای افزایش سرعت تراشه‌ها، برای همیشه به تكنیك‌های موجود متكی باشند. ناگزیر روش‌های جدیدی ابداع می‌شوند. تلاش سرسام آور برای ساختن تراشه‌هایی هرچه سریع‌تر، گاهی آدم را به این فكر می‌اندازد كه خوب آخرش كه چه، آیا دیگر بس نیست؟ كامپیوترهایی كه روی میز ما هستند، آن‌قدر قدرت دارند كه اگر كسی بخواهد، می‌تواند تولد كهكشان‌ها را با آن‌ها شبیه‌سازی كند. تلفن‌ها و PDAها مملو ‌از قابلیت‌های ارتباطی‌ای هستند كه شاید حتی یك‌بار هم از آن‌ها استفاده نكنیم. با این حساب، آیا ما هنوز هم به قانون مور، قانونی كه می‌گوید: كارایی تراشه‌ها در هر ۱۸ ماه تقریبا دوبرابر می شود، نیاز داریم؟
صنعت الكترونیك می گوید: بله. به خاطر هزینه و كارایی. میلیاردها نفر از مردم زمین هنوز آن‌قدر پول ندارند كه تلفن همراه بخرند؛ چه برسد به یك پی‌سی. بنابراین اگر سازندگان تراشه بتوانند چند سال دیگر هم قانون مور را دنبال كنند، تسهیلات دیجیتالی‌ای كه در كشورهای غنی به امری عادی بدل شده‌اند، آن‌قدر ارزان خواهند شد كه همه بتوانند از آن برخوردار‌شوند. به‌علاوه، آن‌قدر قوی خواهند شد كه بتوان با آن‌ها به زبان مادری كاركرد.
ولی برقرارماندن قانون مور، امروزه بیش از همیشه به خلاقیت نیاز دارد. سازندگان تراشه تاكنون اغلب به یك شگرد كارآمد متوسل می‌شدند: آن‌ها ترانزیستورهای تراشه‌ها را كوچك‌تر می‌كردند تا الكترون‌ها مسیر كمتری بپیمایند و به این ترتیب، سرعت پردازش‌ افزایش یابد. ولی اجرای این تكنیك، هر روز سخت‌تر می‌شود.
در دهه ۱۹۹۰ كوچك‌تركردن تراشه‌ها موجب دستیابی به سرعت‌های بالاتری شد. ولی امروزه مدارها ‌چنان درهم فشرده شده‌اند كه تراشه‌ها داغ می‌شوند و عملكرد كلی كاهش می‌یابد. به همین دلیل، غول‌هایی مثل اینتل، وIBM، برنامه‌هایی برای تولید نسل جدید ریزپردازنده‌ها در سال‌های آینده دارند.
البته سازندگان تراشه، قبل از این‌كه به آخر این خط هم برسند، چند سالی می‌توانند به شگرد كوچك‌تر‌‌كردن برای تولید تراشه‌های جدید امید داشته باشند. آن‌ها از مواد و ابزارهای تولید جدید استفاده می‌كنند و بسیاری از متخصصان نیز به پیشرفت‌های به دست آمده در نانوتكنولوژی امید بسته‌اند.
خطوط مدارهای امروزی حدود ۹۰ نانومتر قطر دارند. بنابر بررسی‌های گروه تحقیقات صنعتی International Technology Roadmap for Semiconductors، قطر این مدارها امسال و سال آینده به ۶۵ نانومتر، تا سال ۲۰۱۰ به ۴۵ نانومتر، تا سال ۲۰۱۳ به ۳۲ نانومتر، و تا سال ۲۰۱۶ به ۲۲ نانومتر كاهش خواهد یافت. Paolo A. Gargini، مدیر استراتژی‌های تكنولوژیك اینتل، می گوید: نمی‌توان با اطمینان گفت كه بعد از آن، چه چیزی خواهد آمد.
خوشبختانه كوچك سازی، فقط یكی از راه‌های موجود برای حل این مشكل است. یكی دیگر از تكنیك‌هایی كه به تازگی به بازار معرفی شده است، این است كه چند هسته ریزپردازنده را روی یك نیمه‌رسانا به هم متصل كنیم. البته این تكنیك نیاز به نرم‌افزارهای جدید و اختصاصی دارد و نرم‌افزارهای قبلی برای اجرا روی آن، نیاز به اصلاح و تغییر دارند. علاوه بر تكنیك فوق، مهندسان به دنبال روش‌هایی هستند كه مدارها را در لایه‌های جداگانه روی هم سوار‌كنند و تراشه‌های سه بعدی چند طبقه بسازند.
این‌گونه تكنیك‌ها در كنار یكدیگر، تا سال‌ها، اگر نگوییم دهه‌ها، می‌توانند موتورمحركه صنعت ۲۲۷ میلیارد دلاری تراشه باشند. آن‌ها حتی می‌توانند منجر به جهش و پیشرفت ناگهانی در عملكرد تراشه‌ها شوند. Philip Emma، مدیر ریزمعماری و تكنولوژی سیستم‌ها در IBM، می‌گوید: خیلی زود شاهد پیشرفت‌های خیره كننده‌ای خواهیم بود.
از بین این راهكارهای مختلف، اولین چیپ‌های فوق سریعی كه به بازار عرضه شده‌اند، دستگاه‌های چند هسته‌‌ای هستند كه عملكرد آن‌ها از طریق جایگزینی یك هسته پردازنده خیلی سریع با دو یا چند هسته پردازنده نسبتا كندتر، بهبود زیادی یافته است. Emma می‌گوید: یك آدم خیلی قوی می‌تواند كار زیادی انجام دهد. ولی دو نفر آدم ضعیف‌تر می‌توانند همان كار را به‌طور كلی با تلاش كمتری انجام دهند.
این حرف روی كامپیوترهای شما، یعنی جایگزین كردن یك پردازنده سریع ۳ گیگاهرتزی با دو هسته كندتر ۱/۲ گیگاهرتزی. این‌دو هسته پردازنده در كنار هم می‌توانند داده‌ها را سریع‌تر، با مصرف انرژی كمتر، و در نتیجه با حرارت كمتری پردازش كنند.
پردازنده‌های چند هسته‌ای، كه در حال حاضر توسط AMD ،IBM و اینتل به فروش می‌رسند، مزیت دیگری نیز دارند: رفتار و عملكرد آن‌ها شناخته شده‌تر است. چندین دهه است كه شركت‌های مختلف، سوپركامپیوترهایی ساخته‌اند كه بر مبنای این روش كار‌می‌كنند. یعنی استفاده همزمان از تعداد زیادی پردازنده برای افزایش سرعت محاسبات.
البته بین پردازنده‌های چند هسته‌ای و ابركامپیوترها، دنیایی تفاوت وجود دارد. سوپركامپیوتر Blue Gene/L محصولIBM كه یكی از قوی‌ترین سوپركامپیوترهای دنیاست، ۶۵ ‌هزار پردازنده را به‌طور همزمان به‌كار می‌گیرد. در مقابل، بنا به پیش بینی Emma، پردازنده‌های چند هسته‌ای در كامپیوترهای شخصی حداكثر تا به‌كارگیری هشت هسته پیشرفت خواهند كرد.
● روش‌های نوین‌
در ۵۰ سال گذشته، سازندگان تراشه برای دنبال كردن قانون مور، یعنی دوبرابر كردن توانایی چیپ‌ها در هر ۱۸ ماه، به كوچك كردن مدارها متوسل شده‌اند. ولی این روش نمی‌تواند برای همیشه جوا‌بگو باشد. به همین خاطر سازندگان تراشه به دنبال روش‌های نوینی هستند:
▪پردازنده‌های چند هسته‌ای
▪ بهینه سازی نرم افزار
▪ تراشه‌های چند طبقه
در این روش یك ریزپردازنده قدرتمند كه در پی‌سی‌ها كارگذاشته می‌شود، با دو یا چند تراشه یا هسته نسبتا ضعیف تر جایگزین می‌شود. وقتی این هسته‌ها در كنار هم كار می‌كنند، عملكردی بهتر از یك هسته قوی خواهند داشت و مصرف توان آن‌ها هم كمتر می‌شود.
در نرم افزارهای جدید، وظایف برنامه به دسته های كوچك مجزا تقسیم می شود كه می توانند به طور همزمان و با سرعت بیشتر روی تراشه های چند هسته ای اجرا شوند.
در چیپ‌های سه بعدی، با كاهش فاصله مدارهای محاسباتی و منطبق با بخش‌هایی كه مدیریت حافظه و سایر كنترل‌ها را به عهده دارند، كارایی پردازنده افزایش می‌یابد. حاصل این طرح، یك تراشه چند طبقه سیلیكونی است كه سریع‌تر و خنك‌تر از تراشه‌های معمولی كار می‌كند.
● آسمان خراش‌های تراشه‌ای
یك نوآوری كاملا متفاوت در ساخت تراشه‌ها، به طراحی بوردها مربوط می‌شود. در نیمه‌رسانه‌های سه بعدی، یا چند طبقه‌ای، به سادگی با روی هم گذاشتن قطعات یك تراشه، مثل طبقات یك ساختمان، بهبود فوق‌العاده‌ای در عملكرد حاصل می‌شود. Hans Stork، مدیر ارشد تكنولوژی در شركت Texas Instruments در دالاس، معتقد است كه سازندگان لوازم الكترونیك مصرفی از هم اكنون در این راه قدم گذاشته‌اند.
در دستگاه‌های قابل حمل، مثل تلفن‌های همراه و PDAها، با محدودیت فضا مواجه هستیم. اغلب تراشه‌های منفرد روی هم سوار می‌شوند و به‌وسیله بوردهای مدار از هم جدا می‌شوند و سیم‌هایی با طول میلی‌متری، آن‌ها را به هم وصل می‌كنند.
ولی چرا روی هم گذاشتن چیپ ها به این روش، سرعت را افزایش می دهد و مصرف توان را كمتر می‌كند؟
James Jian Qiang Lu، از موسسه پلی تكنیك Renselaer در نیویورك، این مسئله را این‌طور توضیح می‌دهد: اگر یك پردازنده یك سانتیمتر مربعی را بردارید و آن‌را به چهار قسمت تقسیم كنید و این قسمت‌ها را روی هم قرار داده مدارها را به هم وصل كنید، می‌توانید فاصله حداكثری كه الكترون‌ها باید بپیماند را از ۲۰‌ میكرون به ۱۰ میكرون كاهش دهید و مسیر كوتاه‌تر، یعنی سرعت بیشتر. به‌علاوه، توان كمتری برای به جریان انداختن الكترون‌ها نیاز است.
یعنی گرمای كمتری هم تولید خواهد شد. او معتقد است با روی هم چیدن قسمت‌های یك چیپ ۹۰ نانومتری امروزی، می‌توان به سرعت پردازشی معادل چیپ‌های ۳۲ نانومتری كه قرار است ۶ سال دیگر بیایند، دست یافت.
البته تا تمام مشكلات فنی پیش روی چیپ‌های سه بعدی رفع شوند، زمان زیادی طول خواهد كشید. درست همان‌طور كه ساختن یك آسمان‌خراش از ساختن یك خانه یك‌‌طبقه سخت‌تر است، ساختن چیپ‌های سه بعدی هم نیاز به ابداع ابزارها و روش‌های پیچیده طراحی سه بعدی چیپ خواهد داشت.
موسسه‌ای كه او در آن به تحقیق مشغول است، تحقیقات خود را روی سواركردن این چیپ‌ها متمركز كرده است، كه به نوبه خود بسیار پیچیده است. برای وصل كردن دو لایه چیپ به یكدیكر، باید ابتدا مواد سخت نگهدارنده تراشه را حذف كرد تا به سطح زیرین چیپ دسترسی یافت. بعد آن‌را دقیقا با تراشه زیرین منطبق كرد و كنتاكت‌هایی را كه ابعاد میكرونی دارند، به هم وصل نمود.
تغییرات اساسی در ساختار فیزیكی تراشه‌ها، تغییراتی مشابه را در دنیای نرم‌افزار اعمال خواهد كرد. پردازنده‌های چند هسته‌ای، فقط وقتی می‌توانند عملكرد واقعی خود را نشان دهند كه نرم‌افزارها بتوانند وظایف خود را به دسته‌های مجزا از دستورالعمل‌ها كه به طور همزمان پردازش خواهند شد، تقسیم كنند.
متاسفانه تعداد كمی از نرم‌افزارهای امروزی، چه نرم‌افزارهای موجود روی خود تراشه‌ها و چه برنامه‌های كاربردی، برای این منظور بهینه شده‌اند. مدیر نرم‌افزار در بخش سیستم‌های پردازشی نسل آینده در IBM معتقد است: عملكرد برنامه‌هایی كه برای این منظور بهینه شوند، به نحو فوق العاده‌ای افزایش خواهد یافت. این مطلب به‌ ویژه در مورد برنامه‌های رسانه‌ای و بازی‌ها صدق می كند.
ولی تبدیل كردن همه نرم‌افزارهای موجود برای دستیابی به چنین قابلیتی، سال‌ها طول خواهد كشید. وی می‌گوید: طراحی و ساخت نرم‌افزار برای پردازش چند هسته‌ای، یكی از سخت‌ترین مباحثی است كه در علوم كامپیوتر با آن مواجه می‌شوید. اینتل كه متوجه این دشواری شده، از هم اكنون سه ‌هزار نفر از ده‌هزار برنامه نویسش را به امر توسعه و طراحی نرم‌افزار برای پردازنده‌های چند هسته‌ای گمارده است.
دنبال‌كردن قانون مور بسیار سخت و مستلزم تلاش و اندیشه بسیار است. ولی سازندگان تراشه، به موقع متوجه این نكته شده‌اند و راه‌هایی برای بقای خود یافته‌اند. سال گذشته، وقتی خطوط تولید از ۱۳۰ نانومتر به ۹۰ نانومتر متحول شدند، تحویل چیپ‌های جدید به بازار با مشكلات و تاخیر قابل‌ ملاحظه‌ای روبه‌رو شد. ولی در این مورد هم، مثل تمام مشكلات پیش آمده از ۱۹۶۵به بعد، سالی كه مور قانونش را بیان كرد، صنعت تراشه سازی راهی برای حل مشكل پیدا كرد.
مور تاكید می‌كند كه همیشه از توانایی صنعت تراشه سازی در دنبال‌كردن این قانون حیرت‌زده شده است. واقعاً بعضی از ابداعات جدید امروز، دستاوردهایی در آینده خواهند داشت كه بازهم مور را متعجب خواهند كرد.

منبع: بیزنس‌ویك‌

منبع : ماهنامه شبکه