هسته‌های پردازشی اختصاصی چه تفاوت‌هایی با هسته‌های کورتکس ARM دارند؟

هسته کاستوم نوعی طراحی سی‌‌پی‌یو به شمار می‌رود و توسط دارندگان گواهینامه معماری ARM ایجاد می‌شود و با معماری مجموعه دستورالعمل ARM سازگار است؛ این نوع طراحی، طراحی Cortex-A ARM محسوب نمی‌شود. طراحی یک هسته سی‌‌پی‌یوی کاستوم هم از نظر فنی و هم از نظر مالی پروژه بسیار بزرگی محسوب می‌شود و مسئولیت و تعهد زیادی می‌طلبد. در ضمن ایجاد یک هسته کاستوم به منابع زیادی نیز نیاز دارد.

بنابراین وارد شدن به مراحل سنگین و دشوار طراحی و ایجاد هسته کاستوم تنها زمانی ارزش دارد که یا شرکت منابع خاصی در اختیار داشته باشد یا بخواهد سی‌‌پی‌یویی تولید کند که تولید آن با استفاده از هسته‌های کنونی هسته Cortex-A یا Cortex-X امکان‌پذیر نباشد. گاهی اوقات پروژه طراحی هسته کاستوم موفقیت‌آمیز می‌شود و گاهی اوقات شاهد چنین اتفاقی نخواهیم بود و شرکت تنها متضرر می‌شود.

طراحی سی‌پی‌یوهای مدرن که دارای میلیاردها ترانزیستور هستند، سال‌ها طول می‌کشد و این فرآیند باید توسط تیمی با اعضای دارای مهارت‌های مهندسی انجام شود. درصورتی‌که شرکتی بتواند افراد دارای مهارت و دانش لازم را در کنار هم جمع و سرمایه کافی و لازم را هم تأمین کند، ممکن است در طراحی سی‌‌پی‌یوی کاستوم نسبت به رقبای خود به عملکرد بهتری دست پیدا کنند.

البته ممکن است چنین شرکت‌هایی حتی در صورت برخورداری از چنین شرایطی در این زمینه عملکرد یکسانی با رقبای خود داشته باشند و یا حتی ضعیف‌تر از حد استاندارد عمل کنند. در هر صورت اعضای تمام تیم‌های طراح هسته سی‌‌پی‌یو، با اعضای مجرب تیم طراحی خود ARM که در این حوزه فعالیت گسترده‌ای داشته‌اند و دارند، رقابت سختی دارند و به‌سختی می‌توانند حریف آن‌ها شوند.

چنانچه شرکتی در زمینه طراحی هسته کاستوم خوب عمل کند، به نتایج بسیار خوبی دست خواهد یافت؛ زیرا می‌تواند قدرت طراحی خود را به رخ سایر شرکت‌های مشابه بکشاند؛ همچنین این موضوع باعث می‌شود از نظر فنی نسبت به سایر شرکت‌ها در جایگاه بالاتری قرار گیرد و سهم بیشتری از بازار را از آن خود کند؛ زیرا درصورتی‌که شرکتی بتواند عملکرد خوب و کارایی بالای پردازنده‌های خود را با اعداد و ارقام ثابت کند، قطعاً می‌تواند پردازنده‌های بیشتری بفروشند و سود بیشتری به دست آورد؛ به‌عنوان مثال استفاده از هسته‌های سی‌‌پی‌یوی ARM در سامانه‌های روی تراشه به‌کارگرفته‌شده در آیفون‌ها و آیپدها، باعث شده این محصولات هم در زمینه بازاریابی کاملاً موفق باشند و هم از نظر عملکرد نسبت به محصولات مشابه خود در سطح بالاتری قرار بگیرند.

برخی از شرکت‌های سازنده تراشه طراحی پردازنده‌های کاستوم را متوقف کرده‌اند و این موضوع بازاریابی را برای آن‌ها بسیار دشوار کرده است؛ به‌عنوان مثال سامسونگ طراحی هسته‌های سی‌‌پی‌یوی مانگوس (Mongoose) را متوقف کرده و این موضوع باعث شده کاربران در مورد خرید محصولات دارای پردازنده‌های اگزینوس مردد شوند.

شرکت‌های فعال در زمینه طراحی هسته‌های سی‌‌پی‌یوی کاستوم

کدام شرکت‌ها دارای سرمایه کافی برای فعالیت در این زمینه هستند و کدام شرکت‌ها متمایل به امتحان کردن شانس خود برای کسب موفقیت در این حوزه هستند؟ چه شرکت‌هایی برنده و بازنده این میدان رقابت هستند؟ چه شرکت‌هایی در این کارزار عقب‌نشینی کرده‌اند و چه شرکت‌هایی پرقدرت و مصمم ظاهر شده‌اند؟ چه شرکت‌هایی موفق شده‌اند بازار این حیطه از صنعت طراحی پردازنده را از آن خود کنند؟ در ادامه مطرح‌ترین شرکت‌های فعال در زمینه طراحی هسته‌های سی‌‌پی‌یوی کاستوم را معرفی کنیم تا به‌صورت ضمنی پاسخ مختصری به این سؤالات بدهیم.

کوالکام

کوالکام یکی از شرکت‌های قدیمی دارای گواهینامه ARM در سطح بالا است و هر دو گواهینامه معماری و هسته ARM را دارد. این شرکت در تمام سری‌های مختلف پردازنده خود از طراحی‌های سی‌‌پی‌یوی ARM استفاده می‌کند؛ از سری ۲۰۰ گرفته تا سری ۸۰۰؛ البته این شرکت در تاریخ طراحی خود در برخی مواقع از طراحی سی‌‌پی‌یوی کاستوم نیز استفاده کرده است. نخستین مدل‌های پردازنده کوالکام در سری ۸۰۰ یعنی پردازنده‌های اسنپدراگون ۸۰۰، ۸۰۱ و ۸۰۵ دارای طراحی هسته سی‌‌پی‌یوی کاستوم کوالکام یعنی طراحی کریت (Krait) بودند.

کوالکام در این طراحی به سمت استفاده از طراحی ۶۴ بیتی حرکت کرده است که نوعی طراحی بین طراحی خود ARM و طراحی اختصاصی شرکت یعنی کریو (Kryo) است. این شرکت سرانجام از اسنپدراگون ۸۳۵ به بعد تنها از طراحی سی‌‌پی‌یوی ARM استفاده کرده است.

کوالکام در برنامه طراحی سی‌‌پی‌یوی کاستوم کورتکس ایکس یا Cortex-X Custom CPU Program (CXC) نیز مشارکت دارد؛ بنابراین این شرکت به پرقدرت‌ترین هسته‌های سی‌‌پی‌یوی ARM یعنی هسته‌های کورتکس ایکس دسترسی دارد. از دیگر شرکت‌های حاضر در این برنامه می‌توان به گوگل، سامسونگ و مدیاتک اشاره کرد.

کوالکام در سال ۲۰۲۱ استارتاپ نوپایی تحت عنوان نویا (Nuvia) را با قیمت ۱.۴ میلیارد دلار خریداری کرد که به دست یکی از مدیران اجرایی سابق اپل به نام جرارد ویلیامز سوم (Gerard Williams III) همراه با متخصصان سرشناس دیگری در این حوزه مثل مانو گولاتی (Manu Gulati) و جان برونو (John Bruno) تأسیس شده است.

جرارد ویلیام روی سی‌‌پی‌یوهای مختلف ساخته‌شده توسط اپل ازجمله سی‌‌پی‌یوهای سایکلون (Cyclone)، تایفون (Typhoon)، توئیستر (Twister)، هاریکن (Hurricane)، مانسون (Monsoon)، ورتکس (Vortex)، لایتنینگ (Lightning) و فایراستور (Firestorm) کار کرده است که به ترتیب در پردازنده‌های سری A8 تا A14 استفاده شده‌اند. در ضمن او روی نخستین نسخه تراشه M1 اپل نیز کار کرده است.

کوالکام قصد دارد با بهره‌مندی از فناوری جدیدی که از نویا دریافت کرده است، هسته‌های سی‌‌پی‌یوی کاستوم خود را که با ARM سازگار باشد، ابتدا برای گوشی‌های هوشمند و سپس برای لپ‌تاپ‌ها تولید کند.

اپل

اپل یکی از دارندگان گواهینامه ARM است و در تمام گوشی‌های هوشمند و تبلت‌های خود از پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARM استفاده کرده است. این شرکت در سال‌های اخیر تلاش کرده است با آغاز برنامه‌ای تحت عنوان اپل سیلیکون (Apple Silicon)، تراشه‌های اختصاصی خود را طراحی و تولید کند. در سال‌هایی که این غول فناوری آمریکایی از طراحی Cortex A ARM استفاده می‌کرد، در آیفون ۴ اس از پردازنده A5 اپل استفاده شد که دارای سامانه روی تراشه دو هسته‌ای Cortex-A9 بود.

در آیفون ۵ هم شاهد پردازنده A6 بودیم که تراشه آن دو هسته سوویفت (Swift) داشت. سوویفت نخستین طراحی هسته کاستوم اپل محسوب می‌شود. این طراحی یک طراحی ۳۲ بیتی سازگار با معماری Armv7 است که در Cortex-A9 با پشتیبانی کردن از ویژگی‌هایی مثل Advanced SIMD v2 و VFPv4 به میزان قابل‌توجهی پیشرفت کرد.

اپل در سال ۲۰۰۸ شرکت P.A. Semi، شرکت فعال در حوزه طراحی تراشه که به دست دنیو دابرپول (Daniel W. Dobberpuhl)، یکی از طراحان پیشتاز DEC Alpha 21064 و پردازنده‌های StrongARM تأسیس شده بود، خرید و این اقدام باعث شد کوپرتینونشین‌ها از هسته‌های Cortex-A که توسط ARM پشتیبانی می‌شد، فاصله بگیرند و برای طراحی هسته‌های پردازنده اختصاصی خود تلاش کنند.

پس از گذشت چند سال از این تصمیم، اپل موفق شد نخستین طراحی بی‌نقص سامانه روی تراشه اختصاصی خود را ارائه دهد. پس از ارائه این طراحی اپل دیگر از طراحی آماده هسته‌ سی‌‌پی‌یوی ARM استفاده نکرد.

چند سال بعد طراحی سایکلون (Cyclone) جایگزین سوویفت شد. این طراحی جدید ۶۴ بیتی طراحان ساعت گوشی‌های هوشمند شگفت‌زده کرد. تراشه A7 در سال ۲۰۱۳ برای آیفون ۵s و مدل‌های متنوع آیپد استفاده شد؛ اما نخستین گوشی‌های اندرویدی ۶۴ بیتی از اوایل سال ۲۰۱۵ عرضه شدند. این اتفاق باعث شد اپل در زمینه عرضه گوشی‌ها و تبلت‌های ۶۴ بیتی ۱۸ ماه جلوتر از سازندگان گوشی‌های اندرویدی باشد و در زمینه هسته‌های کاستوم ۶۴ بیتی نیز سه سال جلوتر باشد.

اپل معمولاً هر سال پردازنده جدیدی را عرضه می‌کند که معمولاً دارای طراحی هسته سی‌‌پی‌یوی کاستوم جدید یا ارتقا یافته هستند. اگرچه پردازنده‌های موبایل اپل که بر پایه معماری ARM ایجاد شده بودند، عملکرد بسیار خوبی داشتند؛ اما اپل اعلام کرد قصد دارد پردازنده‌های مورداستفاده برای کامپیوترها و لپ‌تاپ‌های مک را کاملاً با استفاده از طراحی کاستوم خود طراحی کند که با معماری ARM هم سازگار باشد. این پردازنده‌های جدید اپل، اپل سیلیکون نام دارند.

اپل M1 نخستین اپل سیلیکون محسوب می‌شود که در آن از همان طراحی هسته سی‌‌پی‌یو فایر استرم به‌کار‌گرفته‌شده در پردازنده A14 در گوشی آیفون ۱۲، استفاده شده است. پس از M1 تراشه‌های M1 پرو M1 پرو مکس نیز طراحی و تولید شدند که هر دوی آن‌ها سی‌‌پی‌یوی ۱۰ هسته‌ای محسوب می‌شوند (۸ هسته برای بهبود عملکرد و دو هسته‌ برای کاهش مصرف استفاده می‌شود). اپل همچنان به استفاده از پردازنده‌های اپل سیلیکون برای آیفون‌ها، آیپدها و کامپیوترهای مک خود ادامه می‌دهد.

سامسونگ

سامسونگ نیز مانند کوالکام هم از طراحی هسته‌های سی‌‌پی‌یوی ARM استفاده می‌کند و هم از طراحی‌های سی‌‌پی‌یوی کاستوم بهره می‌برد. تمام پردازنده‌های اگزینوس دارای هسته‌های سی‌‌پی‌یوی کورتکس A هستند که به دست ARM طراحی شده است؛ البته طراحی پردازنده Exynos 8 Octa 8890 ترکیبی از طراحی‌های سی‌‌‌پی‌یوی مبتنی بر ARM و طراحی هسته سی‌‌پی‌یوی خود سامسونگ است.

طراحی هسته سی‌‌پی‌یوی خود سامسونگ که با نام کد مانگوس توسط واحد تحقیق و توسعه آستین سامسونگ ایجاد شده است. سامسونگ از این طراحی‌ها برای چهار نسل از پردازنده‌های موبایل خود استفاده کرد. پردازنده اگزینوس ۹۸۲۵ آخرین پردازنده دارای این طراحی بود. در این پردازنده از هسته سی‌‌پی‌یوی ام ۴ استفاده شده است که با نام چیتا (Cheetah) شناخته می‌شود.

از آن زمان تاکنون سامسونگ تنها از طراحی‌های هسته سی‌‌پی‌یوی اختصاصی خود استفاده می‌کند همان‌طور که قبلاً گفتیم این شرکت مثل گوگل و کوالکام در برنامه سی‌‌پی‌یوی کاستوم کورتکس ایکس مشارکت و به هسته‌های سی‌‌پی‌یوی کورتکس ایکس نیز دسترسی دارد.

انویدیا

انویدیا نامی کاملاً شناخته‌شده در زمینه کارت گرافیک کامپیوتر محسوب می‌شود؛ اما این شرکت فراتر از یک شرکت تولیدکننده پردازنده گرافیکی است و محصولات آن در وسایلی مثل کنسول‌های بازی قابل‌حمل نظیر نینتندو سوییچ، سیستم‌های توسعه برای یادگیری ماشینی، خودروهای خودران و مرکز داده نیز استفاده می‌شوند.

انویدیا در محصولاتی به غیر از کارت گرافیک، در کنار پردازنده گرافیکی از سی‌‌پی‌یوی دارای معماری ARM استفاده می‌کند. انویدیا نیز مانند بسیاری از شرکت‌های سازنده تراشه هم دارای گواهینامه هسته AR< و هم دارای گواهینامه معماری آن است. مسئولان این شرکت به سی‌‌پی‌یوهای طراحی‌شده بر پایه معماری ARM هم علاقه زیادی دارند و به همین دلیل از سال ۲۰۲۰ اقدامات لازم برای خرید تمام بخش‌های ARM را آغاز کرده‌اند.

انویدیا در تراشه تگرا ایکس 1 (Tegra X1) یکی از مدل‌های تراشه تگرا (Tegra) که در نینتندو سوییچ استفاده می‌شود، از هسته‌های سی‌‌پی‌یوی کورتکس A که توسط ARM طراحی شده، استفاده کرده است. تراشه تگرا ایکس 1 در جتسون نانو (Jetson Nano)، یک کیت توسعه پایه و ابتدایی برای فناوری یادگیری ماشینی و همچنین در اندروید باکس انویدیا شیلد (Nvidia Shield) نیز استفاده شده است. لازم به ذکر است که هسته‌های طراحی‌شده توسط ARM (به‌خصوص Cortex-A78AE) در تراشه اورین (Orin SoC) نیز استفاده شده است.

انویدیا نیز مانند شرکت‌هایی که تاکنون معرفی کرده‌ایم دارای طراحی اختصاصی و کاستوم خود است که با هسته‌های سی‌پی‌یوی ARM نیز سازگاری دارد. تراشه تگرا ایکس 2 (Tegra X2) که در جتسون TX2 استفاده شده، دارای هسته‌های سی‌‌پی‌یوی ۶۴ بیتی دنور 2 (Denver2) اینودیا است.

هسته سی‌‌پی‌یوی کارمل (Carmel) کاستوم انویدیا نیز در جتسن خاویر (Jetson Xavier) و همچنین در بسیاری از سیستم‌های مورداستفاده برای خودروهای خودران که توسط اینودیا ساخته شده، استفاده شده است. اینودیا قصد دارد در نسل بعدی پلتفرم انویدیا درایو (Nvidia Drive)، پلتفرم توسعه نرم‌افزاری انودیا، از یک سی‌‌پی‌یوی کاستوم سازگار با ARM با کد نام گریس نکست (Grace-Next) استفاده کند.

آیا هسته‌های کاستوم نسبت به هسته‌های معمولی بهتر هستند؟

ممکن است پس از خواندن این مقاله این سؤال به ذهنتان برسد که آیا هسته‌های کاستوم نسبت به هسته‌های معمولی برتری دارند؟ چندین روش برای توصیف یک هسته سی‌‌پی‌یو وجود دارد که برخی از آن‌ها فنی نیستند. در ضمن در هنگام طراحی هسته سی‌‌پی‌یو باید به دو ویژگی فنی بسیار مهم آن‌ها یعنی عملکرد و کارایی آن‌ها نیز توجه کرد و باید هزینه ساخت، تنوع و هدف از ساخت آن‌ها نیز در نظر گرفته شود.

در حال حاضر در سراسر جهان تنها چهار و یا شاید پنج تیم مهندسی با مهارت طراحی هسته‌های سی‌‌پی‌یو گوشی‌های هوشمند بر مبنای معماری ARM وجود دارد که یکی از آن‌ها متعلق به خود ARM است و سایر تیم‌ها تحت سرپرستی اپل، کوالکام و انویدیا هستند. این تیم‌ها نیز مانند سایر تیم‌های فعال در حیطه‌های صنعتی دیگر (مثل صنعت خودرو، نساجی و زیست پژوهش) در برخی از زمینه‌ها نسبت به یکدیگر برتری دارند.

بدون تردید در حال حاضر تیم طراحی اپل قدرتمندترین هسته‌های سی‌‌پی‌یو را طراحی می‌کند. اپل در سال ۲۰۱۳ با تولید و عرضه A7 از سایر تیم‌های طراحی پیشی گرفت و می‌توان گفت همچنان پیشتاز باقی مانده است؛ البته ممکن است کوالکام با خرید استارتاپ نویا ورق را برگرداند و این توانایی بالقوه را هم دارد.

اپل توانسته با دنبال کردن رویکرد طراحی هسته‌های کاستوم موفقیت بسیار خوبی به دست آورده است و بالاتر بودن درآمد فروش آیفون از کل درآمد سالانه گوگل به‌خوبی این موضوع را ثابت می‌کند. کل درآمد سالانه اپل تقریباً دو برابر درآمد سالانه گوگل و بیش از مجموع درآمد گوگل، اینتل و کوالکام است.

چنانچه اپل بتواند با پیشرفت در زمینه طراحی هسته‌های کاستوم، خود را در میدان رقابت سایر رقبایش متمایز کند، ممکن است بتواند سرمایه‌گذاری اقتصادی در این حوزه برای رقبای خود را توجیه کند. تصمیم اپل برای طراحی و ساخت تراشه‌های سیلیکونی اختصاصی خود، فشار قابل‌توجهی را به رقبای این برند تحمیل کرده است.

درضمن این اتفاق باعث می‌شود سازندگان دستگاه‌های اندرویدی نیز از خود بپرسند که آیا آن‌ها نیز باید از طراحی‌های هسته سی‌‌پی‌یوی اختصاصی خود استفاده کنند؟ آیا چنین کاری ارزش خطر کردن و سرمایه‌گذاری را دارد؟ اینتل و AMD نیز در چنین وضعیتی قرار دارند و تحت فشار هستند. آیا ممکن است اپل سیلیکون تهدیدی برای بازار کامپیوتر باشد و معادلات را برهم بزند؟

چنین رقابتی برای مصرف‌کنندگان خبر خوبی محسوب می‌شود و نویددهنده نوآوری، پیشرفت و پویایی در اکوسیستم ARM است. رقابت در این زمینه واقعاً سازنده است.