واحد خبر mobile.ir : چیپ‌ست پردازشی یکی از اصلی‌ترین قطعات هر گوشی هوشمند است که پردازنده‌،‌ حافظه‌ کش، پردازشگر گرافیکی و بعضا مودم‌ ارتباطی را در خود جای می‌دهد. با پیشرفت مدام قطعات سخت‌افزاری، لزوم ارتقاء قدرت این پروسسورها نیز کاملا احساس می‌شود. ساختار و نوع پروسسورهای پردازشی در i-Deviceهای اپل (از جمله آی‌فون‌ها و آی‌پدهای مختلف) تا به امروز روند متفاوتی را نسبت به دیگر گوشی‌های هوشمند طی کرده‌اند که آنها را معمولا در جایگاه بالاتری نسبت به همتایان خود قرار می‌دهد. در آخرین نمونه از این برتری، چیپ‌ست Apple A11 Bionic که همراه با آیفون 10، آیفون 8 و آیفون 8 پلاس معرفی شد در ینچ‌‌مارک‌های پردازشی به راحتی از سد Snapdragon 835 به عنوان برترین پروسسور اندرویدی گذشت. در این مقاله به دلائل برتری چیپ‌ست‌های اپل اشاره می‌کنیم.

گوشی‌های اندرویدی را در مبحث پردازشی می‌توان به دو دسته مشخص تقسیم کرد؛ در دسته نخست نمونه‌های چون سامسونگ، هواوی و جدیدا شیائومی قرار دارند که یا بطور کامل و یا حداقل بخشی از نیازهای پردازشی گوشی‌های خود را توسط پروسسورهای ساخته شده در مجموعه این شرکت‌ها (شامل Exynos سامسونگ، Kirin هواوی و Surge شیائومی) تأمین می‌کنند. دیگر شرکت‌ها از جمله سونی، HTC، نوکیا، ال‌جی، ایسوس، لنوو و ... به دلیل در اختیار نداشتن امکان تولید پروسسور موبایلی، به محصولات دیگر شرکت‌های تولید‌کننده پروسسور موبایلی از جمله کوالکام و مدیاتک وابسته هستند و بدین‌ترتیب چاره‌ای جز تبعیت از شرایط شرکت سازنده در این رابطه ندارند.

روند ساخت پردازنده در شرکت اپل

اوضاع در مورد شرکت اپل تا حدود زیادی به آنچه در سامسونگ یا هواوی رخ می‌دهد شباهت دارد؛ چیپ‌ست‌های موبایلی این شرکت در سال‌های اخیر بدون تغییر نسبت به همتایان اندرویدی آنها از همان ساختار پردازنده‌‌های 64 بیتی شرکت ARM بهره می‌برند و از این بابت تفاوت خاصی دیده نمی‌شود. تفاوت مهم در این میان به نوع لایسنس و مجوز اپل از شرکت ARM تعلق دارد جایی‌که همانند تولیدات اسنپ‌دراگون کوالکام، در چیپ‌ست‌های سری A اپل نیز مجوز خاصی در اختیار این شرکت قرار گرفته که طبق آن امکان طراحی چیپ‌ست از ابتدا تا انتها برای اپل وجود دارد. نخستین ثمره این مجوز در سال 2013 و همزمان با معرفی آیفون 5s صورت گرفت؛ چیپ‌ست Apple A7 این مدل دارای دو هسته پردازشی کاستوم بوده و علاوه بر iPhone 5s در آی‌پد ایر، آی‌پد مینی 2 و مینی 3 نیز به کار گرفته شد.

اپل این شیوه را در طی چهار سال گذشته در طیف متنوعی از پروسسورهای موبایلی خود از جمله A10 Fusion ،A9X ،A9 ،A8X ،A8 و A10X Fusion نیز به کار گرفته و اوج خلاقیت آن را در جدیدترین نمونه این کلاس یعنی A11 Bionic می‌توان مشاهده کرد. در ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که پسوند Bionic در این پروسسور همانند Fusion سال گذشته مفهوم کاربردی مهمی ندارد و تنها یک نام تجاری خوش‌آهنگ به نظر می‌رسد.

معرفی A11 Bionic

A11 Bionic که توسط TSMC بر پایه لیتوگرافی 10 نانومتری این شرکت تایوانی برای اپل ساخته شده است، از فرایند پردازش ناهمگن، Heterogeneous Multi-Processing،  یا HMP بهره می‌برد که در طی آن پروسسور امکان کارکرد با هسته‌های متفاوت با مشخصات و فرکانس‌های مختلف را پیدا می‌کند؛ این موضوع یکی از تفاوت‌های مهم یک پروسسور موبایلی و یک پردازنده دسک‌تاپی را نمایان می‌کند جایی‌که در یک چیپ‌ست موبایلی با پشتیبانی از HMP می‌توان همزمان از چند هسته کاملا متفاوت استفاده کرد اما در پروسسورهای دسک‌تاپی، هسته‌ها کاملا یکسان و برابر هستند.

در ساختار A11 Bionic از شش هسته پردازشی استفاده شده که همچون A10 سال گذشته دارای دو هسته قدرتمندتر است اما تعداد هسته‌‌های کم‌مصرف و ضعیف‌تر آن از 2 به 4 افزایش پیدا کرده است. در A10 سال گذشته هسته‌‌های قوی و ضعیف هریک در دسته‌بندی (Cluster) جداگانه‌ای قرار داشتند که به فراخور نیاز سیستم، تنها یکی از این دسته‌ها فعال می‌شد و امکان استفاده از هر 4 هسته وجود نداشت. در A11 Bionic این شرایط کاملا تغییر کرده و حالا می‌توان از هر 6 هسته به صورت همزمان و در یک لحظه بهره برد. هسته‌های قدرتمند این مجموعه، Monsoon نام دارند و چهار هسته ضعیف‌تر نیز Mistral نامیده شده‌‌اند. به گفته اپل با تغییرات صورت پذیرفته در A11 Bionic، این چیپ‌ست در هسته‌‌های قوی‌تر، 25 درصد و در چهار هسته کم‌مصرف Mistral تا 70 درصد سریع‌تر از A10 Fusion سال گذشته است.

تغییرات این پروسسور تنها به مبحث پردازنده‌ها ختم نمی‌شود و در زمینه گرافیکی نیز پس از آنکه اپل از قطع همکاری خود با شرکت Imagination سازنده گرافیک‌های PowerVR خبر داد (و در نهایت منجر به فروش Imagination به شرکت Canyon Bridge شد)، برای اولین بار از گرافیک طراحی شده توسط خود اپل استفاده شده است.

تشابه A11 Bionic و Snapdragon 835

با نگاهی به مشخصات A11 Buonic و مقایسه آن با برترین راه‌حل پردازشی ارائه شده برای گوشی‌های اندرویدی در سال 2017 یعنی چیپ‌ست Snapdragon 835، شباهت فراوانی را بین این دو می‌توان مشاهده کرد: هر دو دارای لیتوگرافی 10 نانومتری هستند، از پردازنده‌های 64 بیتی تغییر یافته ARM بهره می‌برند و نوع حافظه جانبی آنها نیز LPDDR4 است. با وجود این شباهت‌ها و در حالی که اسنپ‌دراگون 835 دو هسته قدرتمند اضافه دیگر نیز نسبت به A11 Bionic در اختیار دارد اما طبق تست‌های پردازشی صورت گرفته در مدت زمان کوتاه حضور آیفون‌های 8 و 8 پلاس در بازار، اختلاف بسیار زیادی نسبت به پرچمداران اندرویدی دارای SD835 دیده می‌شود و برای نمونه در تست تعیین‌کننده Geekbench این اختلاف در حالت تک هسته‌ای به بیش از دو برابر و در حالت چند هسته‌ای به نزدیک به بیش از 50 درصد می‌رسد. برای اینکه به علت این ماجرا و دلیل سرعت بسیار بالاتر A11 Bionic نسبت به Snapdragon 835 پی ببریم نخست باید اندکی به گذشته برگردیم.

عوامل برتری اپل بر کوالکام

1- دو سال حرکت سریع‌تر به سمت فناوری 64 بیتی

در سال 2013 و در حالی که کوالکام با چیپ‌ست 32 بیتی Snapdragon 800 مجهز به هسته‌های کاستوم Krait 400 و گرافیک Adreno 330 با اقتدار برترین تولید‌کننده پروسسورهای موبایلی به حساب می‌آید، اپل به یکباره با ارائه چیپ 64 بیتی A7 تمام محاسبات کوالکام را به هم ریخت و توجه همگان را به سمت خود جلب کرد. کوالکام که در ابتدا، 64 بیتی بودن پروسسور اپل را یک ترفند تجاری کم‌اهمیت تلقی می‌کرد به ناچار خود نیز مجبور به حرکت به سمت پروسسورهای 64 بیتی شد. این حرکت اما بسیار کند و البته نسبتا ناشیانه صورت گرفت جایی‌که برخلاف گذشته که کوالکام همواره با در اختیار داشتن فرصت مناسب، هسته‌های تغییر یافته و کاستوم خود را در چیپ‌ست‌های اسنپ‌دراگون قرار می‌داد در سال 2014 و برای رقابت با اپل در کلاس 64 بیتی مجبور به استفاده از هسته‌‌های خالص و بدون تغییر A57 و A53 شرکت ARM در چیپ‌ست Snapdragon 810 شد که با روبرو شدن با گرمای بیش از اندازه و مشکلات حرارتی، یکی از بزرگ‌ترین شکست‌های تجاری کوالکام را رقم زد در همین سال و در حالی که کوالکام در حال دست و پنجه نرم کردن با شرایط بحرانی SD810 بود، اپل نسل دوم پروسسورهای 64 بیتی خود یعنی A8 را برای آیفون 6 و 6 پلاس ارائه کرد. کوالکام پس از دو سال تأخیر بالاخره در سال 2015، اسنپ‌دراگون 820 را به عنوان اولین پروسسور 64 بیتی واقعی خود با هسته‌‌های کاستوم Kryo معرفی کرد و این در حالی بود که در سپتامبر همان سال اپل یک گام دیگر نیز در این زمینه به جلو برداشته و چیپ A9 را برای آیفون 6s و نسخه پلاس آن عرضه کرد.

در سال 2016 کوالکام با به دست آوردن لایسنس جدیدی از سوی شرکت ARM، پروسسورهای موبایلی خود را به شیوه تازه‌ای معرفی کرد؛ در این شیوه که ARM آن را "Built on ARM Cortex Technology" یا ساخته شده براساس فناوری ARM Cortex می‌نامد خریدار (در اینجا کوالکام)، تغییر مورد نظر خود را به ARM اعلام کرده و مهندسان و طراحان این شرکت، این طرح را تولید و شخصی‌سازی می‌کنند. این طرح پس از آماده شدن و تحویل به خریدار، همچنان جزء IP یا مالکیت معنوی ARM خواهد بود اما علنی نشده و به شرکت دیگری فروخته نمی‌شود. به این نوع طراحی ریزپردازنده "نیمه شخصی‌سازی شده" یا Semi-Custom می‌گویند که برای اولین بار در هسته‌های Kryo 280 حاضر در Snapdragon 835 اجرایی شد. اسنپ‌دراگون 835 این بار با تغییر در تقویم کوالکام و برای پیشی گرفتن از چیپ Apple A10 (حاضر در آیفون 7) به جای بهار در زمستان معرفی شد اما این تمامی ماجرا نبود و ارائه چیپ A11 در آیفون 10 و دو آیفون 8 و 8 پلاس بار دیگر محاسبات کوالکام را در این زمینه به هم ریخته است.

بدین‌ترتیب با نگاهی به موارد اشاره شده، اپل در مبحث پردازنده‌های 64 بیتی حداقل دو نسل از همتایان اندرویدی و به خصوص کوالکام جلوتر بوده و این حرکت سریع‌تر رو به جلو، دست بالا را در زمینه پردازشی و امکانات و قابلیت‌های جدید همچنان در اختیار اپل قرار داده است.

2- ارتباط مستقیم واحد پردازش اپل با گوشی‌های آیفون

نکته مهم دیگر که به ادامه برتری اپل منجر می‌شود، به ارتباط تنگاتنگ پروسسورهای اپل و گوشی‌های آیفون این شرکت تعلق دارد، جایی‌که هر ساله، هر گوشی جدید با یک پروسسور تازه در دسترس قرار می‌گیرد اما این شرایط برای گوشی‌های اندرویدی متفاوت است و برای نمونه در حالی که شرکت ARM، پیش از اپل و در اکتبر 2012 از هسته 64 بیتی ARM A57 رونمایی کرده بود اما این هسته تا آوریل 2014 یعنی نزدیک به یک سال و نیم بعد به دلیل تأخیر کوالکام و دیگر سازندگان، در هیچ گوشی اندرویدی ظاهر نشد و این روند هنوز نیز تا حدودی ادامه دارد. شرکت‌هایی مثل سامسونگ و هواوی با دارا بودن واحدهای تولیدی مجزا برای ساخت پروسسورهای موبایلی در حال کم کردن این فاصله هستند به عنوان نمونه، هواوی تنها 8 ماه پس از معرفی گرافیک ARM Mali-G71 از این GPU در Mate 9 استفاده کرد.

3- سایز بزرگ‌تر پردازنده‌های اپل

دیگر عامل برتری مهم اپل که تأثیر آن دست‌ کمی از دیگر عوامل ندارد سایز و ابعاد چیپ‌ست‌های موبایلی اپل است؛ چیپ‌های موبایلی اپل بزرگ هستند و بزرگ‌تر بودن در این رقابت مستقیما به معنای گران‌تر بودن نیز هست. برای نمونه طبق گزارشی از Linley Group، هسته‌های قدرتمند Hurricane حاضر در چیپ‌ست Apple A10 سال گذشته با سایز 4.18 میلی‌متر مربع نزدیک به دو برابر سایز بیشتری نسبت به هسته‌های سطح‌ بالای دیگر پروسسورهای موبایلی دارند و حتی هسته‌های کم‌مصرف Zephyr این چیپ‌ست نیز بسیار بزرگ‌تر از هسته‌‌های مشابه و تقریبا دو برابر هسته‌های A53 اندازه‌گیری می‌شوند. اما آیا بزرگ‌تر بودن هسته‌ها لزوما به معنای کیفیت و سرعت بالاتر مجموعه پردازشی ست؟

در این مورد، پاسخ هم منفی و هم مثبت است؛ منفی به آن معنا که هسته‌های اپلی با وجود سایز بسیار بزرگ‌ترشان در زمینه قدرت پردازشی لزوما تفاوت خاصی با هسته‌های مشابه دیگر چیپ‌ست‌ها به ازای هر میلی‌متر مربع ندارند اما در عوض آنچه اپل را در این زمینه در جایگاه بسیار بالاتری قرار می‌دهد به بهینه‌سازی بیشتر این پردازنده‌ها به ازای هر سیکل کلاک باز می‌گردد که به لطف نرخ بسیار بالاتر "دستور‌العمل به‌ازای هر کلاک" حاصل می‌شود. ادامه مبحث فنی در این زمینه ممکن است خسته‌کننده به نظر برسد اما برای ساده‌تر کردن ماجرا تنها اشاره به نتیجه‌گیری تحقیق Linley جالب‌توجه خواهد بود :

«برتری اپل به توانایی این شرکت در خرج کردن پول باز می‌گردد. [هر میلی‌متر اضافه از] ابعاد پردازنده (Die area) برای پروسسوری که با فناوری پیشرفته... ساخته شده است گران‌خواهد بود... [اما] به این علت که اپل، نه چیپ‌پردازشی بلکه گوشی موبایل می‌فروشد، افزودن چند دلار بیشتر برای [افزایش فضای] پردازنده، در صورتی که نتیجه به فروش دیوایسی با قیمت بیش از 600 دلار منجر شود تأثیری [در روند کار اپل] نخواهد داشت».

مقایسه ابعاد هسته‌های A10 در مقایسه با رقبای موبایلی و دسک‌تاپی

در سوی مقابل کسب و کار شرکت‌های ARM و کوالکام هر دو برخلاف اپل، عمدتا تنها فروش پردازنده و چیپ‌ست است؛ ARM هسته‌های پردازشی را برای شرکت‌هایی مثل کوالکام و مدیاتک طراحی می‌کند و این شرکت‌ها نیز به نوبه خود چیپ‌ست‌های موبایلی را براساس این طراح‌ها تولید می‌کنند که در نهایت به شرکت‌های سازنده موبایل مثل سامسونگ،‌ سونی، ال‌جی، HTC و دیگران فروخته می‌شود. در این فرایند نه‌تنها شرکت‌های نهایی تولید‌کننده موبایل نیاز به کسب سود از این بیزینس دارند بلکه شرکت‌های واسط مثل ARM و کوالکام نیز به این سودآوری برای ادامه حیات احتیاج مبرم خواهند داشت بنابراین برخلاف اپل، کوالکام راهی جز کم‌ کردن هزینه‌ها و ساخت پروسسورهای مقرون به‌صرفه برای ارائه به شرکت‌های موبایلی را ندارد چرا که در غیر اینصورت ممکن است این بازار را به نفع شرکت‌های دیگر سازنده چیپ‌ست از دست بدهد. بدین‌ترتیب به سادگی می‌توان به علت باز بودن دست اپل در بزرگ‌تر کردن پردازنده‌های این شرکت و محدودیت‌های دیگر شرکت‌ها، از جمله کوالکام در این زمینه پی برد.

4- حافظه کش بالاتر

همچون مورد سوم در اینجا نیز جبران هزینه‌های اپل در فروش گسترده گوشی‌های این شرکت در بخش حافظه کش نیز خود را نشان می‌دهد؛ شرکت‌های تولید‌کننده چیپ‌ست‌های موبایلی معمولا از حاشیه سود بسیار اندکی برخوردارند و شاید کاهش تنها 0.5 میلی‌متر مربع در اندازه یک چیپ‌ست به سودآوری بیشتر آنها بینجامد. این محدودیت اما برای اپل وجود ندارد و سایز بزرگ‌تر CPUهای این شرکت اجازه افزایش حافظه کش را نیز فراهم می‌کند.

حافظه‌های کش در سه سطح L2 ،L1 و L3 ارائه می‌شوند و تا قبل از ارائه طرح پردازشگر Cortex A75 توسط ARM، پردازنده‌های این شرکت فاقد حافظه کش سطح سه یا L3 Cache بودند اما در سوی دیگر اپل از زمان ارائه چیپ‌ست A7 (در آیفون 5s) حجم زیادی از حافظه کش L3 را به کار می‌گرفت. در پروسسورهای A7 و A8 که در آیفون 5s و آیفون 6 به کار گرفته شد، 4 مگابایت حافظه L3 و 1 مگابایت کش L2 وجود داشت. در A9 و A10 (به ترتیب در آیفون 6s و آیفون 7) حافظه L2 و L3 به ترتیب به 3 و 4 مگابایت رسید اما در A11 bionic در حالی که از حافظه کش L3 صرفنظر شده، از 8 مگابایت حافظه L2 استفاده شده است. برای مقایسه بهتر است بدانید که در Snapdragon 835 ظاهرا تنها از 1 مگابایت حافظه کش L2 برای هسته‌های ضعیف‌تر و 2 مگابایت حافظه کش از همین نوع برای هسته‌‌های قوی‌تر استفاده شده است که اختلاف بسیار بزرگی با A11 Bionic دارد.

5- خط لوله (Pipline) بزرگ‌تر، فرکانس کمتر

در نهایت پنجمین و آخرین دلیل برتری پروسسورهای اپل نسبت به دیگر همتایان آن به مبحث خط لوله یا پایپ‌لاین تعلق دارد؛ ایده پایپ‌لاین یا خط لوله مجموعه‌ای از مراحل پردازش داده را تشکیل می‌دهد که به صورت سری و پشت و سر هم به یکدیگر متصل شده‌اند و ورودی هریک از این مراحل، خروجی مرحله قبل است. در تکنیک پایپ‌لاین چند دستور می‌توانند در یک زمان احرا شوند یعنی دستورات از لحاظ زمانی دارای همپوشانی هستند. سازندگان چیپ‌ست‌های موبایل برای ساخت یک هسته پردازشی در تکنیک پایپ‌لاین دو راه بیشتر پیش‌ رو ندارند؛ در راه اول از یک مسیر باریک با فرکانس بالا استفاده می‌شود و در راه دوم از یک مسیر بزرگ با فرکانس پایین‌تر می‌توان بهره برد. این دو راه دقیقا مشابه همان اتفاقی‌ست که در یک لوله آب واقعی رخ می‌دهد: برای آنکه یک حجم مشخص آب را از یک لوله عبور بدهید یا باید یک لوله باریک با فشار زیاد آب داشته باشید یا یک لوله بزرگ با فشار کم آب. در دنیای پردازنده‌‌ها، شرکت ARM به طور کامل از ایده اول یعنی پایپ‌لاین باریک با فرکانس بالا (لوله آب نازک با فشار زیاد) استفاده می‌کند اما اپل راه دوم را برگزیده و در این سال‌ها به دنبال پایپ‌لاین‌های عریض و فرکانس پایین‌تر بوده است. برای نمونه، پردازنده ARM Cortex A75 در لیتوگرافی 10 نانومتری دارای فرکانس حداکثر 3 گیگاهرتز است اما در Apple A10 فرکانس هسته‌ها حداکثر به 2.34 گیگاهرتز می‌رسید. این فرکانس پایین‌تر به احتمال قریب به یقین در A11 نیز رخ داده است که در آینده با مشخص شدن فرکانس هسته‌های این پروسسور می‌توان از آن اطمینان پیدا کرد.

کلام آخر : برتری در CPU با اپل است اما این همه ماجرا نیست

با نگاهی به موارد گفته شده شکی در برتری اپل در زمینه پردازشی وجود ندارد؛ این شرکت از تیمی مجرب و امکاناتی فراتر از دیگر رقبا برخوردار است و جلوتر بودن این شرکت از لحاظ زمانی نسبت به سایرین و توانایی این برند در ساخت پروسسورهای گران‌قیمت و جبران آن با فروش بالای آیفون، نزدیک شدن دیگران به جایگاه این برند را بسیار مشکل می‌کند. این برتری اپل روی کاغذ تنها در دو حالت ممکن است با مشکل روبرو شود: حالت اول در صورت لغزش اپل و از دست رفتن برتری زمانی این شرکت نسبت به رقبا رخ می‌دهد و حالت دوم نیز تنها با تصمیم احتمالی یکی از رقبا برای ساخت یک پروسسور بسیار گران‌قیمت جامه واقعیت به خود می‌پوشد.

اما پیش از پایان این مقاله باید به این نکته مهم توجه کرد که در حالی که CPU از جمله مهم‌ترین قسمت‌های یک چیپ‌ست موبایلی به حساب می‌آید اما این هسته‌‌های پردازشی تنها موارد با اهمیت یک پروسسور نبوده و موارد دیگری مثل گرافیک (GPU)، پروسسور سیگنال دیجیتال (DSP)، پروسسور سیگنال تصویر (ISP)، مجموعه‌های ارتباطی و چندین گزینه دیگری نیز نقش مهمی را در ارتقاء کیفیت یک چیپ‌ست موبایلی ایفا می‌کنند. از این گذشته شرکت‌های مختلف سازنده چیپ‌های موبایلی آرام‌آرام در حال کم کردن بار پردازش از روی شانه‌های CPU و انتقال آنها به اجزای نوآورانه جدیدی هستند که از آن جمله می‌توان به موتور عصبی (Neural Engine) حاضر در A11 و واحد پردازش عصبی حاضر در پروسسور Kirin 970 هواوی (با 20 برابر سرعت بیشتر در شناسایی تصویر نسبت به CPU طبق ادعای شرکت سازنده) اشاره کرد. کوالکام نیز با اعلام اینکه از این پس به جای آنکه چیپ‌ست‌های خود را "پروسسور" بنامد، به آنها واژه "پلتفرم" را اطلاق می‌کند ظاهرا به دنبال دور شدن از ایده چیپ‌ست‌های CPU محور است.