تک پدیا: چیپ پردازنده‌ کنسول‌های بازی چگونه ساخته می‌شود؟

همه ما روزانه از کامپیوتر شخصی (یا اداری) و کنسول‌های بازی خود استفاده می‌کنیم. با این حال، آیا تا به حال شده دست از کار کردن یا بازی کردن بکشید و به این فکر کنید که پردازنده‌های داخل کیس شما که در لحظه هزاران عملیات و پردازش را به صورت همزمان انجام می‌دهند، چگونه ساخته شده‌اند و چه پروسه‌ و روندی برای تولید آن‌ها طی شده است؟

ساخت چیپ پردازنده که از میلیون‌ها ترانزیستور و اجزای ریز سخت افزاری تشکیل شده، یکی از پیشرفته‌ترین کارهایی است که بشر در طول تاریخ به نتیجه رسانده است. فناوری ساخت این چیپ‌ها که بهترینِ آن‌ها را در پردازنده‌های مرکزی (CPU) و پردازنده‌های گرافیکی (GPU) مشاهده می‌کنیم، آنقدر پیشرفته است که تنها چند شرکت خاص و چندین فرد خاص در تمام جهان توانایی تولید و طراحی آن‌ها را دارند.

امروز در این مطلب قصد داریم دقیقاً به سوال مطرح شده در بند اول پاسخ دهیم. ما به طور ناگهانی به فکر فرو رفتیم و تصمیم گرفتیم تا درباره نحوه ساخته شده چیپ‌های پردازنده تحقیق کنیم. با این که این چیپ‌ها در قطعات سخت افزاری مختلفی به کار گرفته می‌شوند، اما در این مطلب می‌خواهیم به سراغ نمونه‌ای برویم که شاید از تمام نمونه‌های دیگر حیرت انگیزتر، جذاب‌تر و هوشمندانه‌تر است. شما برای تجربه بازی‌های مورد علاقه خود روی رایانه شخصی گیمینگ، بدون شک به یک پردازنده مرکزی (CPU) و پردازنده گرافیکی (GPU) یا کارت گرافیک نیاز دارید. با این حال، زمانی که روی کنسول‌ها بازی می‌کنید، تنها یک چیپ واحد در اختیار دارید.

این بدان معنی است که کنسول‌ شما برای پردازش و اجرای یک بازی ویدیویی پرتقاضا و جدید، تنها از توان و قدرت یک چیپ چند نانومتری و ماژول‌های حافظه اطرافش بهره می‌گیرد؛ چیپی که در خود هم CPU دارد و هم GPU! به همین دلیل است که می‌گوییم چیپ شخصی سازی شده و منحصر به فردی که برای کنسول‌های بازی طراحی و ساخته می‌شود، برایمان جذاب‌تر و شگفت انگیزتر از یک CPU یا GPU جداگانه است.

امروز سوال اصلی ما این است که چنین چیپ کوچک و پرقدرتی که به تنهایی از پس تمام بازی‌های دوره خود برمی‌آید، چگونه ساخته می‌شود؟ برای بررسی پروسه ساخت این چیپ‌ها، به سراغ جدید‌ترین و پیشرفته‌ترین کنسول‌های بازی، یعنی پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس رفتیم.

چیپ کنسول!

هر دو کنسول پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس از چیپ‌های پردازنده‌ی شخصی سازی شده شرکت AMD استفاده می‌کنند که پردازنده مرکزی نسل Zen 2 را با پردازنده گرافیکی نسل RDNA 2 ترکیب کرده تا بتواند یک ارتقای چشمگیر و به اندازه‌ی یک نسل کامل را نسبت به کنسول‌های نسل قبل به وجود بیاورد. اما سوال اصلی این جا است که این چیپ‌های پردازنده یا SoC ها، چگونه تولید و ساخته می‌شوند؟ چیپ‌های پردازنده کنسول‌ها، تنها یک قطعه عادی سخت افزاری قرار گرفته درون جعبه‌ی کنسول‌ها، نیستند و کار ساخت و طراحی‌ آن‌ها به شدت پیچیده و سخت است. برنامه‌ها، ایده‌ها، فکرها و تلاش‌های بسیاری برای ساخت و تولید یک چیپ پردازنده ارائه می‌شوند و سال‌ها برای طراحی و ساخت یک چیپ مناسب برای یک کنسول بازی، زمان صرف می‌شود. پس از این صحبت‌های مقدماتی، بیایید بحث خود را به صورت رسمی آغاز کنیم و توضیح دهیم که سیلیکون‌های پردازنده سیستم یا SoC چگونه ساخته می‌شوند؟

چه کسی چیپ و سیلیکون تولید می‌کند؟

پیش از این که دقیقاً به سراغ موضوع چگونگی تولید شدن چیپ‌های سیلیکونی موجود در کنسول‌ها برویم، بیایید بررسی کنیم که دقیقا چه کسی این سیلیکون و این پردازنده واحد را که به عنوان قلب و مغز کنسول‌های بازی، از جمله پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس شناخته می‌شوند، تولید می‌کند؟ همین ابتدا بگوییم که تولید کنندگان و صاحبان امتیاز این کنسول‌ها، مسئول ساخت این چیپ‌های پیچیده نیستند!

هیچ کدام از شرکت‌های سونی یا مایکروسافت، فناوری مورد نیاز برای ساخت پردازنده‌های پیچیده و سیلیکون‌های پیشرفته را در اختیار ندارد و به صورت کلی، این کار در حیطه تخصص آن‌ها نیست. در پاسخ به سوال «چه کسی چیپ و سیلیکون تولید می‌کند؟» باید بگوییم که این پردازنده‌ها به دست شرکت AMD ساخته می‌شوند.

با این حال، اگر فکر می‌کنید که شرکت AMD خودش تمام این چیپ‌های پردازنده را می‌سازد و خطوط تولید مخصوص به خود را دارد، سخت در اشتباه هستید! AMD در گذشته و حدود 9 سال پیش، خط تولید سیلیکون مخصوص به خود را داشت اما زمانی که کاملا از GlobalFoundries جدا شد، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر کرد. شرکت‌های تولید کننده و سازنده‌ای مانند AMD، کوالکام، انویدیا (Nvidia) و اپل (Apple)، در واقع خطوط تولید پردازنده و سیلیکون ندارند، بلکه تنها سیلیکون‌ها را طراحی می‌کنند. به این شرکت‌ها اصطلاحا تولید کننده سیلیکون فبلس (Fabless) می‌گویند.

این شرکت‌ها تنها کار مهندسی و طراحی پردازنده‌های سیلیکونی شخصی سازی شده را انجام می‌دهند و با توجه به اهداف خود در جهت میزان عملکرد، قیمت، و اهداف موثر، ایده‌ها و افکار خود را طرح ریزی و مشخص می‌کنند. پس از برنامه ریزی‌ها و مهندسی‌های اولیه که البته تلاش و کار بسیاری نیز پشت آن‌ها قرار می‌گیرد،‌ شرکت‌های طراحی کننده مانند همین AMD، با شرکت‌های تولید کننده‌ی سیلیکون قرارداد می‌بندند تا پردازنده‌ها و سیلیکون‌ها به صورت عمده تولید شوند و در دسترس مردم قرار گیرند.

به عنوان مثال، شرکت AMD همیشه برای تولید عمده‌ی سیلیکون‌های خود با شرکت TSMC همکاری می‌کند و این همکاری فعلا بدون مشکل پیش رفته است. TSMC در واقع مخفف «شرکت تولید نیمه هادی تایوان» یا Taiwan Semiconductor Manufacturing Company است و همانطور که از نام این شرکت پیداست، آن‌ها در کشور تایوان به تولید این چیپ‌های پردازنده به صورت عمده می‌پردازند. البته کارخانه‌های تولید سیلیکون دیگری نیز در سراسر دنیا وجود دارد اما جالب است بدانید که TSMC، یکی از بزرگترین کارخانه‌های بزرگ ساخت سیلیکون در دنیا محسوب می‌شود. در واقع نام TSMC در این زمینه، در کنار نام شرکت‌هایی مانند اینتل (Intel) و سامسونگ (Samsung) قرار می‌گیرد. این شرکت‌ها تمام کارهای طراحی، تولید و عرضه را خودشان انجام می‌دهند و به عنوان مثال، شرکت سامسونگ، علاوه بر طراحی و تولید سیلیکون‌های مخصوص، آن‌ها را درون گوشی‌های هوشمند خود جایگذاری کرده و در اختیار مخاطبان و کاربران قرار می‌دهد.

شرکت‌های سونی و مایکروسافت در دو نسل اخیر کنسول‌ها، یعنی نسل هشتم و نهم، برای تهیه چیپ‌های پردازنده کنسول‌های خود، به سراغ شرکت AMD رفته‌اند تا این شرکت با دانش تخصصی خود، چیپ‌های شخصی سازی شده و مناسبی را طراحی و تولید نماید. واقعیت اینجاست که سفارشِ ساخت چیپ‌های شخصی سازی شده‌ی کنسول‌های سونی و مایکروسافت، یکی از بزرگترین و سنگین‌ترین سری سفارش‌هایی است که کارخانه TSMC دریافت می‌کند و مسئولیت تولید آن‌ها را به عهده می‌گیرد.

برای درک بهتر این قضیه، نگاهی به تعداد کنسول‌های پلی استیشن 4 و ایکس باکس وان به فروش رفته در طی نسل اخیر (7 سال اخیر) داشته باشید. بیش از 150 میلیون دستگاه پلی استیشن 4 و ایکس باکس وان در این مدت به فروش رفته که طبیعتا درون هر کدام از آن‌ها، یکی از همان چیپ‌های سیلیکونی قرار گرفته که نشان می‌دهد میزان سیلیکون تولید شده در این مدت توسط TSMC، بسیار زیاد بوده است.

سونی و مایکروسافت برای نسل نهم کنسول‌ها نیز به سراغ AMD و طبیعتا، کارخانه TSMC رفته‌اند تا چیپ پردازنده کنسول بازی پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس (و حتی ایکس باکس سری اس) را طراحی و تولید نمایند. مشکلات مربوط به ویروس کرونا (ظرفیت کاری کمتر شرکت‌ها و تقاضای بیشتر مردم) در یک یا دو سال اخیر باعث شده تا شرکتی مانند TSMC نه تنها با فشار سونی، مایکروسافت و AMD دست و پنجه نرم کند، بلکه از طرف مقامات بلند پایه دولتی کشورهای مختلف، مانند آمریکا نیز پیام‌های مختلفی مبنی بر افزایش ظرفیت و تحویل دادن تمام و کمال سفارش‌ها دریافت نماید.

اما پیش از این که کارخانه TSMC بتواند چیپ‌های پردازنده پیچیده و شخصی سازی شده را به تولید انبوه برساند، یک شرکت مهندسی کاربلد باید آن‌ها را با دقت طراحی کند. این جا است که اهمیت شرکت بزرگ AMD، به شدت نمایان می‌شود.

چیپ‌های (نیمه) شخصی‌سازی شده

پردازنده APU یا همان Accelerated Processing Unit (واحد پردازشی شتاب یافته) در سیستم‌هایی مانند کنسول‌های بازی، حرف اول را می‌زند و به عنوان مثال، در کنسول‌های مورد انتظار پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس،‌ از همین پردازنده‌ها به صورت یک چیپ نیمه شخصی سازی شده استفاده شده است. هر دو شرکت سونی و مایکروسافت همیشه در هنگام معرفی سخت افزار کنسول‌های خود، به شخصی سازی شدن پردازنده‌های درون کنسول‌ها اشاره می‌کنند اما این موضوع دقیقا چه معنایی دارد؟

طراحی کردن یک SoC کاملا شخصی سازی شده، یک مسئولیت عظیم به شمار می‌رود و انجام این کار می‌تواند صدها میلیون‌ دلار، یا حتی بیشتر، هزینه در بر داشته باشد. اگر تا به حال متوجه بزرگی و اهمیت ماجرا نشده‌اید، باید اشاره کنیم که در حال صحبت درباره طراحی یک هسته CPU جدید، یک GPU جدید، ارتباطات ورودی و خروجی (I/O) و حتی یک لایه کامل برای نگه داشتن این موارد کنار یکدیگر هستیم. به همین دلیل است که تنها تعداد کمی از تولید کنندگان SoC، در واقع به سراغ طراحی و تولید چیپ‌های پردازنده کاملا شخصی سازی شده می‌روند. به عنوان مثال، اپل (Apple) شرکتی است که این کار را انجام می‌دهد و شرکت انویدیا نیز با پردازنده Tegra X1 توانست موفق به انجام این کار شود. با این حال، چیپ‌های پردازنده سیلیکونی که به صورت کاملا شخصی سازی شده طراحی و ساخته می‌شوند، به نوعی استثنا به حساب می‌آیند، نه روال عادی و معمولی.

اما در طرف دیگر، چیپ‌های پردازنده نیمه شخصی سازی شده از طراحی‌های موجود استفاده کرده و آن‌ها را با روش‌ها و راه‌های جدیدی ادغام می‌کنند. این دقیقا روشی است که برای چیپ‌های پردازنده یا SoC کنسول‌های بازی، از جمله کنسول های پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس استفاده شده است. هر دو این کنسول‌ها، از معماری پردازنده مرکزی Zen 2 و معماری پردازنده گرافیکی RDNA 2 بهره می‌گیرند که متعلق به شرکت AMD هستند.

CPUهای Zen 2 تا به حال در بازار سخت افزار رایانه‌های شخصی دیده شده‌اند و آن‌ها را با نام سری Ryzen 3000 می‌شناسیم. پردازنده‌های گرافیکی نسل RDNA 2 نیز با کارت گرافیک‌‌های سری RX 6000 در بازار سخت افزار کامپیوتر موجود هستند. بد نیست بدانید که که کنسول‌های پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس،‌ اولین محصولاتی هستند که از GPUهای نسل RDNA 2 بهره‌ برده‌اند؛ چرا که پلی استیشن 5، ایکس باکس سری ایکس و ایکس باکس سری اس، پیش از انتشار کارت‌های RX 6000 وارد بازار شدند.

با این که سونی و مایکروسافت خودشان چیپ کنسول‌ها را نمی‌سازند، اما فراموش نکنید که نقش مهمی را در انتخاب و تعیین نوع چیپ یا SoC ساخته شده ایفا می‌کنند و از آن جایی که سفارش دهنده هستند، تصمیم نهایی را آن‌ها می‌گیرند. فاکتورها و عوامل بسیاری در این تصمیم گیری و نظر نهایی، نقش دارند. به عنوان مثال، اندازه‌ی قطعه (اندازه‌ی سیلیکون)، به صورت مستقیم با قیمت تمام شده‌ی هر قطعه در ارتباط است. چیپ‌های بزرگتر، ممکن است طراحی‌های CPU و GPU بزرگتری را درون خود جای بدهند که به معنی قدرت بیشتر است. با این حال، بزرگتر شدن چیپ‌های پردازنده، دردسرهای مختلفی نیز دارد. به عنوان مثال، تولید گرمای بیشتر و البته میزان مصرف برق و الکتریسیته بالاتر، از مشکلاتی هستند که می‌توانند گریبان گیر شرکت‌های سازنده کنسول‌ها شوند. بنابراین همیشه چیپ‌های بزرگ و پرقدرت، مناسب نیستند و باید میان میزان قدرت و اندازه‌ی SoC، تعادل برقرار شود.

شرکت AMD دو نسل است که با شرکت‌های سونی و مایکروسافت برای طراحی چیپ‌های سیلیکونی کنسول‌های بازی همکاری می‌کند و مهندسان این شرکت سعی دارند با انتخاب قطعه‌ی ساخته شده و شخصی سازی آن، محصولی باب میل مهندسین و طراحان سخت افزاری شرکت‌های سونی و مایکروسافت طراحی نمایند. محصول نهایی باید از نظر میزان توان مصرفی، اندازه‌ی قطعه و البته عملکرد و قدرت پردازشی، انتظارات شرکت‌‌های سفارش دهنده را برآورده نماید.

کارخانه رویاها!

اما در انتها شاید بپرسید که کار کارخانه‌هایی که چیپ‌های پردازنده و سیلیکون‌های پیشرفته را تولید می‌‌کنند، چگونه است؟ همه شما حتما در طول عمر خود، پرونده‌ها یا کاغذهایی حاوی اطلاعات مهم داخل آن‌ها را پرینت گرفته‌اید. تولید کردن چیپ‌های پردازنده به صورت انبوه، دقیقا به مانند پرینت گرفتن از کاغذهای پرونده است، با این تفاوت که کار شرکت‌های تولید چیپ، بسیار حساس‌تر و پیچیده‌تر از پرینت گرفتن چند برگه کاغذ به حساب می‌آید.

زمانی که طراحی نهایی به اتمام رسید، شرکت طراحی کننده‌ی چیپ پردازنده (در این جا، AMD)، طرح و نقشه نهایی را با کارخانه تولید سیلیکون (در این جا، کارخانه TSMC) به اشتراک می‌گذارد تا مغز متفکر کنسول‌ها، رسما و واقعا ساخته شود. اما شرکت AMD، چگونه طرح‌ها و نقشه‌های خود از SoC را با کارخانه TSMC به اشتراک می‌گذارد و چگونه به آن‌ها آدرس می‌دهد؟ این کار با پروسه‌ای به نام فوتولیتوگرافی (Photolithography) انجام می‌شود. پس از این، کارخانه ساخت سیلیکون، این طراحی را با میلیاردها ترانزیستور که داخل ویفر سیلیکون قرار می‌گیرند، تکامل می‌دهد.

پس از این مرحله، پروسه‌ای به نام Doping آغاز می‌شود. در این پروسه، کارخانه سعی می‌کند تمام ناخالصی‌های موجود در سلیکون را حذف کند و آن را در خالص ترین شکل ممکن قرار دهد تا رسانایی سیلیکون به بهترین حالت خود برسد. با این کار، مناطق مایکروسکوپی تک قطبی به وجود می‌آیند. این مناطق به شدت ریز، درون گیت‌های منطقی ساخته می‌شوند و در نهایت، به درون ترانزیستورها می‌روند. شرکت تولید کننده‌ی چیپ، در واقع یک مدار مجمع (Integrate Circuit) با طراحی خارق‌ العاده تولید می‌کند که پر از ترانزیستورهای ریز است؛ ترانزیستورهایی که با فاصله‌ ناچیز و غیر قابل شمارشی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

پس از این کار، کارخانه سازنده، این ترانزیستورها را به وسیله لیتوگرافی روی یک سیلیکون پرینت می‌کند. ساختن و توسعه دادن تکنیک‌های لیتوگرافیک، بسیار گران قیمت و هزینه‌بر هستند اما با تمام این تفاسیر، بازده و محصولی که در انتها تولید می‌شود، همیشه 100 درصد دقیق نیست. به بیان دیگر، تمام قطعاتی که تولید می‌شوند، به مرحله‌ی تایید نهایی نمی‌رسند و ممکن است تمام قطعات درون یک چیپ یا محصول، به شکل کامل کار نکنند. تمام این موارد، عوامل و فاکتورها روی قیمت و بهای نهایی سیلیکون یا SoC تولید شده برای کنسول‌های بازی، از جمله کنسول‌های پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس، تاثیر می‌گذارند.

چیپ به مقد نهایی می‌رسد!

تا این جای کار، سعی کردیم از نحوه ساخت و تولید چیپ مرکزی سیلیکونی یا همان SoC بگوییم و با زبانی ساده این مراحل تولید و برنامه ریزی را به شما عزیزان توضیح دهیم. تا کنون قطعا متوجه اهمیت خارق العاده‌ی چیپ پردازنده کنسول بازی شده‌اید. این چیپ‌ها که تولید و نهایی کردنشان به هزینه، فکر، زمان، تلاش و مهندسی بسیار و فوق‌العاده‌ دقیقی نیاز دارد، در واقع مغز متفکر یا قلب تپنده‌ی کنسول شما هستند. با دانستن تمامی این مراحل و پروسه‌ها برای تهیه شدن پردازنده مرکزی کنسول‌های بازی، شاید بهتر باشد از این پس، زمانی که کنسول بازی خود را روشن کردید و با آن‌ به تجربه بازی‌های مورد علاقه خود مشغول شدید، زمان کوتاهی نیز به چگونگی اجرای آن بازی زیبا و هیجان انگیز، روی چیپ و پردازنده مرکزی کنسول خود فکر کنید و تمام پیچیدگی‌های این کار را در یک آن، درک نمایید.

البته چیپ‌های پردازنده تنها برای کنسول‌های بازی استفاده نمی‌شوند و همانطور که گفته شد، هر CPU و GPU ساخته شده توسط اینتل، AMD و انویدیا، بخش بزرگی از پروسه‌‌ای که در این مطلب توضیح داده شد را طی می‌کنند. با این حال، از آنجایی که معماری چیپ کنسول‌ها از یک طرف شگفت انگیز و منحصر به فرد و از طرف دیگر دارای پروسه‌ای گسترده‌تر و طولانی‌تر هستند، تصمیم گرفتیم درباره چگونگی ساخت چیپ‌های کنسول (مخصوصاً کنسول‌های نسل نهمی) صحبت کنیم.

نکته کوچک اما مهمی که درباره چیپ پردازنده و قطعات ریز به کار رفته در آن‌ها وجود دارد، این است که این چیپ‌های سیلیکونی، پس از مدتی و با پیشرفت فناوری، قطعا با کاهش قیمت رو به رو می‌شوند و قطعات و فناوری‌های جدیدتر، جای‌ آن‌‌ها را می‌گیرند. به همین دلیل، کنسول‌های بازی که معمولا عمری 6 یا 7 ساله دارند، در طول این مدت با بها و قیمت یکسانی تولید نمی‌شوند. به عنوان مثال، سخت افزار یا به صورت مشخص، چیپ پردازنده کنسول بازی پلی استیشن 4 در حال حاضر، نسبت به زمان عرضه اولیه (سال 2013)، بسیار ارزان قیمت‌تر است. این موضوع می‌تواند هم قیمت کنسول‌های بازی را در طول نسل و پس از مدتی پایین بیاورد و هم شرکت‌های سازنده، سوددهی بیشتری به ازای فروش هر کنسول داشته باشند.

نظر شما در مورد پروسه ساخت و تولید چیپ پردازنده قطعات کامپیوتری چیست؟ آیا از دانستن این پروسه و روند، متعجب و شگفت زده شدید؟ نظرات خوب خود را با ما به اشتراک بگذارید.