-
قانون مور؛ همچنان پابرجا
قانون مور؛ همچنان پابرجا صنعت الكترونيك مي گويد: بله. به خاطر هزينه و كارايي. ميلياردها نفر از مردم زمين هنوز آن‌قدر پول ندارند كه تلفن همراه بخرند؛ چه برسد به يك پي‌سي. بنابراين اگر سازندگان تراشه بتوانند چند سال ديگر هم قانون مور را دنبال كنند، تسهيلات ديجيتالي‌اي كه در كشورهاي غني به امري عادي بدل شده‌اند، آن‌قدر ارزان خواهند شد كه همه بتوانند از آن برخوردار‌شوند. به‌علاوه، آن‌قدر قوي خواهند شد كه بتوان با آن‌ها به زبان مادري كاركرد.
ولي برقرارماندن قانون مور، امروزه بيش از هميشه به خلاقيت نياز دارد. سازندگان تراشه تاكنون اغلب به يك شگرد كارآمد متوسل مي‌شدند: آن‌ها ترانزيستورهاي تراشه‌ها را كوچك‌تر مي‌كردند تا الكترون‌ها مسير كمتري بپيمايند و به اين ترتيب، سرعت پردازش افزايش يابد. ولي اجراي اين تكنيك، هر روز سخت‌تر مي‌شود.
در دهه 1990 كوچكتركردن تراشه‌ها موجب دستيابي به سرعت‌هاي بالاتري شد. ولي امروزه مدارها چنان درهم فشرده شده‌اند كه تراشه‌ها داغ مي‌شوند و عملكرد كلي كاهش مي‌يابد. به همين دليل، غول‌هايي مثل اينتل، وIBM، برنامه‌هايي براي توليد نسل جديد ريزپردازنده‌ها در سال‌هاي آينده دارند.
البته سازندگان تراشه، قبل از اين‌كه به آخر اين خط هم برسند، چند سالي مي‌توانند به شگرد كوچكتركردن براي توليد تراشه‌هاي جديد اميد داشته باشند. آن‌ها از مواد و ابزارهاي توليد جديد استفاده مي‌كنند و بسياري از متخصصان نيز به پيشرفت‌هاي به دست آمده در نانوتكنولوژي اميد بسته‌اند.
خطوط مدارهاي امروزي حدود 90 نانومتر قطر دارند. بنابر بررسي‌هاي گروه تحقيقات صنعتي International Technology Roadmap for Semiconductors، قطر اين مدارها امسال و سال آينده به 65 نانومتر، تا سال 2010 به 45 نانومتر، تا سال 2013 به 32 نانومتر، و تا سال 2016 به 22 نانومتر كاهش خواهد يافت. Paolo A. Gargini، مدير استراتژي‌هاي تكنولوژيك اينتل، مي گويد: نمي‌توان با اطمينان گفت كه بعد از آن، چه چيزي خواهد آمد.
خوشبختانه كوچك سازي، فقط يكي از راه‌هاي موجود براي حل اين مشكل است. يكي ديگر از تكنيك‌هايي كه به تازگي به بازار معرفي شده است، اين است كه چند هسته ريزپردازنده را روي يك نيمه‌رسانا به هم متصل كنيم. البته اين تكنيك نياز به نرم‌افزارهاي جديد و اختصاصي دارد و نرم‌افزارهاي قبلي براي اجرا روي آن، نياز به اصلاح و تغيير دارند. علاوه بر تكنيك فوق، مهندسان به دنبال روش‌هايي هستند كه مدارها را در لايه‌هاي جداگانه روي هم سوار‌كنند و تراشه‌هاي سه بعدي چند طبقه بسازند.
اين‌گونه تكنيك‌ها در كنار يكديگر، تا سال‌ها، اگر نگوييم دهه‌ها، مي‌توانند موتورمحركه صنعت 227 ميليارد دلاري تراشه باشند. آن‌ها حتي مي‌توانند منجر به جهش و پيشرفت ناگهاني در عملكرد تراشه‌ها شوند. Philip Emma، مدير ريزمعماري و تكنولوژي سيستم‌ها در IBM، مي‌گويد: خيلي زود شاهد پيشرفت‌هاي خيره كننده‌اي خواهيم بود.
از بين اين راهكارهاي مختلف، اولين چيپ‌هاي فوق سريعي كه به بازار عرضه شده‌اند، دستگاه‌هاي چند هستهاي هستند كه عملكرد آن‌ها از طريق جايگزيني يك هسته پردازنده خيلي سريع با دو يا چند هسته پردازنده نسبتا كندتر، بهبود زيادي يافته است. Emma مي‌گويد: يك آدم خيلي قوي مي‌تواند كار زيادي انجام دهد. ولي دو نفر آدم ضعيف‌تر مي‌توانند همان كار را به‌طور كلي با تلاش كمتري انجام دهند.
اين حرف روي كامپيوترهاي شما، يعني جايگزين كردن يك پردازنده سريع 3 گيگاهرتزي با دو هسته كندتر 1/2 گيگاهرتزي. اين‌دو هسته پردازنده در كنار هم مي‌توانند داده‌ها را سريع‌تر، با مصرف انرژي كمتر، و در نتيجه با حرارت كمتري پردازش كنند.
پردازنده‌هاي چند هستهاي، كه در حال حاضر توسط AMD ،IBM و اينتل به فروش مي‌رسند، مزيت ديگري نيز دارند: رفتار و عملكرد آن‌ها شناخته شده‌تر است. چندين دهه است كه شركت‌هاي مختلف، سوپركامپيوترهايي ساخته‌اند كه بر مبناي اين روش كار‌مي‌كنند. يعني استفاده همزمان از تعداد زيادي پردازنده براي افزايش سرعت محاسبات.
البته بين پردازنده‌هاي چند هستهاي و ابركامپيوترها، دنيايي تفاوت وجود دارد. سوپركامپيوتر Blue Gene/L محصولIBM كه يكي از قوي‌ترين سوپركامپيوترهاي دنياست، 65 هزار پردازنده را به‌طور همزمان به‌كار مي‌گيرد. در مقابل، بنا به پيش بيني Emma، پردازنده‌هاي چند هستهاي در كامپيوترهاي شخصي حداكثر تا به‌كارگيري هشت هسته پيشرفت خواهند كرد.
روش‌هاي نوين
در 50 سال گذشته، سازندگان تراشه براي دنبال كردن قانون مور، يعني دوبرابر كردن توانايي چيپ‌ها در هر 18 ماه، به كوچك كردن مدارها متوسل شده‌اند. ولي اين روش نمي‌تواند براي هميشه جوا‌بگو باشد. به همين خاطر سازندگان تراشه به دنبال روش‌هاي نويني هستند:
پردازنده‌هاي چند هستهاي
در اين روش يك ريزپردازنده قدرتمند كه در پي‌سي‌ها كارگذاشته مي‌شود، با دو يا چند تراشه يا هسته نسبتا ضعيف تر جايگزين مي‌شود. وقتي اين هسته‌ها در كنار هم كار مي‌كنند، عملكردي بهتر از يك هسته قوي خواهند داشت و مصرف توان آن‌ها هم كمتر مي‌شود.
بهينه سازي نرم افزار
در نرم افزارهاي جديد، وظايف برنامه به دسته هاي كوچك مجزا تقسيم مي شود كه مي توانند به طور همزمان و با سرعت بيشتر روي تراشه هاي چند هسته اي اجرا شوند.
تراشه‌هاي چند طبقه
در چيپ‌هاي سه بعدي، با كاهش فاصله مدارهاي محاسباتي و منطبق با بخش‌هايي كه مديريت حافظه و ساير كنترل‌ها را به عهده دارند، كارايي پردازنده افزايش مي‌يابد. حاصل اين طرح، يك تراشه چند طبقه سيليكوني است كه سريع‌تر و خنك‌تر از تراشه‌هاي معمولي كار مي‌كند.
آسمان خراش‌هاي تراشه‌اي
يك نوآوري كاملا متفاوت در ساخت تراشه‌ها، به طراحي بوردها مربوط مي‌شود. در نيمه‌رسانه‌هاي سه بعدي، يا چند طبقه‌اي، به سادگي با روي هم گذاشتن قطعات يك تراشه، مثل طبقات يك ساختمان، بهبود فوق‌العاده‌اي در عملكرد حاصل مي‌شود. Hans Stork، مدير ارشد تكنولوژي در شركت Texas Instruments در دالاس، معتقد است كه سازندگان لوازم الكترونيك مصرفي از هم اكنون در اين راه قدم گذاشته‌اند.
در دستگاه‌هاي قابل حمل، مثل تلفن‌هاي همراه و PDAها، با محدوديت فضا مواجه هستيم. اغلب تراشه‌هاي منفرد روي هم سوار مي‌شوند و به‌وسيله بوردهاي مدار از هم جدا مي‌شوند و سيم‌هايي با طول ميلي‌متري، آن‌ها را به هم وصل مي‌كنند.
ولي چرا روي هم گذاشتن چيپ ها به اين روش، سرعت را افزايش مي دهد و مصرف توان را كمتر مي‌كند؟
James Jian Qiang Lu، از موسسه پلي تكنيك Renselaer در نيويورك، اين مسئله را اين‌طور توضيح مي‌دهد: اگر يك پردازنده يك سانتيمتر مربعي را برداريد و آن‌را به چهار قسمت تقسيم كنيد و اين قسمت‌ها را روي هم قرار داده مدارها را به هم وصل كنيد، مي‌توانيد فاصله حداكثري كه الكترون‌ها بايد بپيماند را از 20 ميكرون به 10 ميكرون كاهش دهيد و مسير كوتاه‌تر، يعني سرعت بيشتر. به‌علاوه، توان كمتري براي به جريان انداختن الكترون‌ها نياز است.
يعني گرماي كمتري هم توليد خواهد شد. او معتقد است با روي هم چيدن قسمت‌هاي يك چيپ 90 نانومتري امروزي، مي‌توان به سرعت پردازشي معادل چيپ‌هاي 32 نانومتري كه قرار است 6 سال ديگر بيايند، دست يافت.
البته تا تمام مشكلات فني پيش روي چيپ‌هاي سه بعدي رفع شوند، زمان زيادي طول خواهد كشيد. درست همان‌طور كه ساختن يك آسمان‌خراش از ساختن يك خانه يك‌‌طبقه سخت‌تر است، ساختن چيپ‌هاي سه بعدي هم نياز به ابداع ابزارها و روش‌هاي پيچيده طراحي سه بعدي چيپ خواهد داشت.
موسسه‌اي كه او در آن به تحقيق مشغول است، تحقيقات خود را روي سواركردن اين چيپ‌ها متمركز كرده است، كه به نوبه خود بسيار پيچيده است. براي وصل كردن دو لايه چيپ به يكديكر، بايد ابتدا مواد سخت نگهدارنده تراشه را حذف كرد تا به سطح زيرين چيپ دسترسي يافت. بعد آن‌را دقيقا با تراشه زيرين منطبق كرد و كنتاكت‌هايي را كه ابعاد ميكروني دارند، به هم وصل نمود.
تغييرات اساسي در ساختار فيزيكي تراشه‌ها، تغييراتي مشابه را در دنياي نرم‌افزار اعمال خواهد كرد. پردازنده‌هاي چند هستهاي، فقط وقتي مي‌توانند عملكرد واقعي خود را نشان دهند كه نرم‌افزارها بتوانند وظايف خود را به دسته‌هاي مجزا از دستورالعمل‌ها كه به طور همزمان پردازش خواهند شد، تقسيم كنند.
متاسفانه تعداد كمي از نرم‌افزارهاي امروزي، چه نرم‌افزارهاي موجود روي خود تراشه‌ها و چه برنامه‌هاي كاربردي، براي اين منظور بهينه شده‌اند. مدير نرم‌افزار در بخش سيستم‌هاي پردازشي نسل آينده در IBM معتقد است: عملكرد برنامه‌هايي كه براي اين منظور بهينه شوند، به نحو فوق العاده‌اي افزايش خواهد يافت. اين مطلب به ويژه در مورد برنامه‌هاي رسانه‌اي و بازي‌ها صدق مي كند.
ولي تبديل كردن همه نرم‌افزارهاي موجود براي دستيابي به چنين قابليتي، سال‌ها طول خواهد كشيد. وي مي‌گويد: طراحي و ساخت نرم‌افزار براي پردازش چند هستهاي، يكي از سخت‌ترين مباحثي است كه در علوم كامپيوتر با آن مواجه مي‌شويد. اينتل كه متوجه اين دشواري شده، از هم اكنون سه هزار نفر از ده‌هزار برنامه نويسش را به امر توسعه و طراحي نرم‌افزار براي پردازنده‌هاي چند هستهاي گمارده است.
دنبال‌كردن قانون مور بسيار سخت و مستلزم تلاش و انديشه بسيار است. ولي سازندگان تراشه، به موقع متوجه اين نكته شده‌اند و راه‌هايي براي بقاي خود يافته‌اند. سال گذشته، وقتي خطوط توليد از 130 نانومتر به 90 نانومتر متحول شدند، تحويل چيپ‌هاي جديد به بازار با مشكلات و تاخير قابل ملاحظه‌اي روبه‌رو شد. ولي در اين مورد هم، مثل تمام مشكلات پيش آمده از 1965به بعد، سالي كه مور قانونش را بيان كرد، صنعت تراشه سازي راهي براي حل مشكل پيدا كرد.
مور تاكيد مي‌كند كه هميشه از توانايي صنعت تراشه سازي در دنبال‌كردن اين قانون حيرت‌زده شده است. واقعاً بعضي از ابداعات جديد امروز، دستاوردهايي در آينده خواهند داشت كه بازهم مور را متعجب خواهند كرد.
