مروری بر روند توسعه پردازنده‌ های موبایل؛ جنگ هسته‌‌ای و گیگاهرتزی!

در طی چند سال گذشته گوشی‌های هوشمند از لحاظ سخت افزاری و به ویژه از لحاظ قدرت پردازش بسیار پیشرفت کرده‌اند، به طوری که گوشی‌های امروزی توانسته‌اند بیش از پیش خود را به رایانه‌ها و لپ‌تاپ‌های متوسط نزدیک کنند. شرکت‌های تولید کننده گوشی روز به روز فرکانس پردازنده‌های خود را بالاتر می‌برند و البته از جایی به بعد مجبور می‌شوند تا تعداد هسته‌ها را نیز افزایش دهند. در واقع، افزایش تعداد هسته‌ها به این علت روی می‌دهد که بالا بردن فرکانس حدی دارد و همان اتفاقی که سال‌ها قبل برای رایانه‌های شخصی افتاده بود، برای گوشی‌ها نیز در حال تکرار شدن است. علت مسئله، بسیار ساده است؛ 10 درصد اضافه شدن سرعت کلاک منجر به اضافه شدن بیش از 10 درصدی مصرف انرژی و تولید گرما در پردازنده است و به همین دلیل نمی‌توان فرکانس کاری هسته‌ها را به صورت نامحدود ارتقاء داد.

تا قبل از سال 2017، بالاترین سرعت کلاک در پردازنده گوشی‌های هوشمند 2.6 گیگاهرتز بود اما در دو سال گذشته شاهد معرفی گوشی‌هایی مانند ایسوس راگ فون بوده‌ایم که از تراشه‌های قدرتمندی مانند اسنپدراگون 845 با فرکانس نزدیک به 3 گیگاهرتز (2.96 گیگاهرتز به صورت دقیق) استفاده کرده‌اند.

البته ظاهراً تولید کنندگان تراشه با یک محدودیت دیگر هم روبرو بوده‌اند. اولین پردازنده‌های 10 هسته‌ای در سال 2016 معرفی شدند که بالاترین تعداد هسته‌ای بوده که تاکنون در یک پردازنده موبایل به کار گرفته شده است. اما همان طور که در نمودار زیر هم می‌توانید ببینید، پردازنده‌های 10 هسته‌ای عمر بسیار کوتاهی داشتند و پس از دو سال از رده خارج شدند.

تقریباً تمام گوشی‌های هوشمند امروزی مجهز به پردازنده هشت هسته‌ای هستند و تنها استثناهایی که در این بین وجود دارند، گوشی‌های ساده و گوشی رده پایین مقرون به صرفه هستند. و البته آیفون‌ها هم از این قضیه مستثنی هستند. اما از زمانی که کمپانی ARM شیوه طراحی big.LITTLE را معرفی کرد، اهمیت ترکیب هسته‌ها از تعداد آن‌ها بیشتر شد و تمرکز تولید کنندگان نیز بیشتر بر این مسئله معطوف شد.

تاکنون شاهد به کارگیری ترکیب‌های مختلفی برای هسته‌های پردازنده‌ها بوده‌ایم که شاید رایج ‌ترین آن‌ها ترکیب 2+2 و یا 4+4 باشد. اما بد نیست بدانید که این ترکیب‌ها بهینه‌ترین ترکیب نیستند و به همین دلیل تولید کنندگان تراشه به فکر برقراری تعادلی جدید در این رابطه افتاده‌اند.

به عنوان نمونه، پردازنده‌های 4+4 قدیمی جای خود را به مدل‌های جدید با ترکیب هسته 2+6 (2 هسته قدرتمند در کنار 6 هسته کم مصرف) داده‌اند که در حال حاضر نیز بیشتر پردازنده‌های هشت هسته‌ای با همین ترکیب طراحی می‌شوند. هسته‌های Cortex-A75 یا Cortex-A76 بزرگ‌تر و بسیار قدرتمندتر از Cortex-A72 یا Cortex-A73 هستند، بنابراین تنها تراشه‌های بسیار قدرتمند و رده بالا امکان استفاه از 4 عدد از آن‌ها را دارند.

البته ترکیب‌های پیچیده‌تری هم وجود دارند. تراشه‌های پردازشی پرچمدار و رده بالا این روزها از ترکیب‌های متفاوتی برای نوع هسته‌ها استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، کرین 980 از ترکیب 4+2+2 استفاده می‌کند و اسنپدراگون 855 نیز از ترکیب 4+3+1 بهره می‌برد. این نوع چینش هسته‌ها، این امکان را فراهم می‌کند تا پردازنده گوشی از 1 یا 2 هسته بزرگ و قدرتمند برای انجام فعالیت‌های پردازشی سنگین استفاده کند، در لایه دوم 2 یا 3 هسته سریع معمولی به کار گرفته شود و در نهایت 4 هسته کم مصرف و کوچک که برای انجام فعالیت‌های سبک و روزمره مناسب خواهد بود.

بررسی‎های سخت افزاری نشان می‌دهد که کرین 980 از دو نسخه متفاوت از هسته Cortex-A76 استفاده می‌کند؛ یکی با فرکانس 2.6 گیگاهرتز کار می‌کند و دیگری هم برای فعالیت در فرکانس 1.92 گیگاهرتز بهینه شده است. در واقع، در اینجا نیز مانند موتورهای خودرو که دارای منحنی گشتاور هستند، هسته پردازنده را می‌توان برای بیشترین بازده در یک فرکانس خاص بهینه سازی کرد.

پلتفرم جدید ARM به نام DynamIQ از 32 واحد رایانش خوشه‌ای یا کلاستر با حداکثر 8 هسته به ازای هر کلاستر پشتیبانی می‌کند. این پلتفرم، دست تولید کنندگان تراشه را در یافتن بهترین فرکانس و ولتاژ هسته بازتر می‌کند تا بتوانند بهترین ترکیب هسته‌ها با کمترین میزان مصرف انرژی را برای پردازنده‌های خود در نظر بگیرند.

با این حال، بعید به نظر می‌رسد که در آینده نزدیک شاهد به کار گیری بیش از 3 کلاستر در پردازنده‌ها باشیم و در حال حاضر تولید کنندگان تمرکز خود را بر روی دیگر بخش‌ها معطوف کرده‌اند. در واقع، با اضافه شدن واحد پردازش عصبی (NPU) و ISP های بسیار قدرتمندتر، اغلب وظایف پردازشی سنگین به جای تراشه پردازشی اصلی گوشی یا همان CPU، به قطعات سخت افزاری ویژه‌ای از این دست سپرده شده است.