چیپ پردازنده‌ کنسول بازی چگونه ساخته می‌شود؟

به گزارش سیارنیوز و به نقل از برات نیوز، کنسول‌های بازی، از جمله پلی استیشن ۵ (PlayStation 5) و ایکس باکس سری ایکس (Xbox Series X)، دارای چیپ پردازنده مرکزی‌اند که تمام عملیات پردازش را رهبری و مدیریت می‌کند و در واقع یک مغز متفکر تمام عیار به حساب می‌آید. اما آیا می‌دانید که این چیپ‌های پردازنده درون سیستم یا SoC چگونه ساخته می‌شوند؟

از آن جایی که کنسول‌های نسل بعدی پلی استیشن ۵ و ایکس باکس سری ایکس در راه هستند و بسیار زودتر از آن چه فکرش را می‌کنید، منتشر می‌شوند، قطعا بسیاری از شما به فکر ارتقای سخت افزاری و تغییر کنسول خود از نسل قدیم به نسل جدید هستید. هر دو کنسول نسل بعدی سونی و مایکروسافت، قابلیت‌های چشمگیر و هیجان انگیزی دارند که می‌توانند به راحتی بازی‌بازان را برای خرید، ترغیب نمایند و اکثر این قابلیت‌های هیجان انگیز، به دلیل ارتقای چشمگیری است که در زمینه‌های پردازنده مرکزی (CPU) و پردازنده گرافیکی (GPU) به وجود آمده است. با این حال، در همین ابتدای کار باید بدانید که کنسول‌ها برخلاف رایانه‌های شخصی، دارای یک پردازنده مرکزی و گرافیکی جداگانه نیستند و یک چیپ پردازنده مرکزی، با ارتباط با اجزا و بخش‌های دیگر، تمام کارهای پردازشی و محاسباتی را انجام می‌دهد. هر دو کنسول پلی استیشن ۵ 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 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؟

دقیقا چه کسی سیلیکون کنسول را تولید می‌کند؟

پیش از این که به صورت دقیق به سراغ موضوع چگونگی تولید شدن چیپ‌های سیلیکونی موجود در کنسول‌ها برویم، بیایید بررسی کنیم که دقیقا چه کسی این سیلیکون و این پردازنده مرکزی را که به عنوان قلب و مغز کنسول‌های بازی، از جمله پلی استیشن ۵ و ایکس باکس سری ایکس شناخته می‌شوند، تولید می‌کند؟ اولین پاسخ به این سوال این است که قطعا 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. اما اگر کمی به سمت جلو حرکت کنیم، 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 ۸ 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.

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 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، سومین کارخانه بزرگ ساخت سیلیکون در دنیا محسوب می‌شود. دوست دارید بدانید کارخانه‌های اول و دوم چه نام دارند؟ اینتل (Intel) و سامسونگ (Samsung). 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 این جا است که سفارش 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 ۴ و ایکس باکس وان به فروش رفته در طی نسل اخیر (۷ سال اخیر) داشته باشید. حدود ۱۵۰ میلیون دستگاه پلی استیشن ۴ 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 ۵ و ایکس باکس سری ایکس (و حتی ایکس باکس سری اس) را طراحی و تولید نمایند 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.

طراحی 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 ۵ 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 به به روش‌ها و راه‌های جدیدی ادغام می‌کنند. این دقیقا روشی است که برای چیپ‌های پردازنده یا SoC کنسول‌های بازی، از جمله کنسول های پلی استیشن ۵ و ایکس باکس سری ایکس استفاده شده است. هر دو این کنسول‌ها، از طراحی پردازنده مرکزی Zen 2 و از طراحی پردازند 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. با این حال، پردازنده‌های گرافیکی نسل RDNA 2 هنوز وارد بازار رایانه‌های شخصی نشده‌اند و شرکت AMD قرار است در ماه جاری میلادی (ماه اکتبر)، به معرفی کامل این نسل که با نام RX 6000 شناخته می‌شود، بپردازد. تصور می‌شود که کنسول‌های پلی استیشن ۵ و ایکس باکس سری ایکس،‌ اولین محصولاتی هستند که از GPUهای نسل RDNA 2 استفاده می‌کنند که البته تمام موارد استفاده شده درون آن‌ها (از پردازنده مرکزی گرفته تا پردازنده گرافیکی)، به صورت نیمه شخصی سازی شده است.

پیش از این توضیح دادیم که چیپ‌های پردازنده مرکزی داخل کنسول‌های بازی، به مانند CPU یا GPU جداگانه نیستند و در واقع یک چیپ واحد سیلیکونی به حساب می‌آیند. در این چیپ مرکزی، همه چیز به صورت ادغام شده درون یک بخش قرار گرفته‌اند؛ به این معنی که GPU ،CPU، ورودی و خروجی (I/O)، لایه‌ی نگه دارنده و مموری، همگی در یک بخش و در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. با توجه به این که قطعات در حال حرکت کمتری در این حالت وجود دارند، اغلب به صرفه است تا کار ساخت و تولید SoC به عهده کارخانه TSMC گذاشته شود و از یک CPU و GPU جداگانه استفاده نشود.

با این حال، در این نقطه، شرکت‌های تولید کننده و سازنده کنسول‌های بازی (سونی، مایکروسافت و…) 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 (میزان 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.

کارخانه‌ای که چیپ‌ها را تولید می‌کند…

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 را از SoC، با کارخانه TSMC به اشتراک می‌گذارد و دقیقا 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 استفاده از 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 فاصله‌ی نانومتری 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 ۱۰۰ درصد دقیق نیست. به بیان دیگر، تمام قطعاتی که تولید می‌شود، 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 ۵ و ایکس باکس سری ایکس، تاثیر می‌گذارند.

قرار دادن چیپ درون کنسول‌

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 مخصوصا کنسول‌های پیش رو و مورد انتظار پلی استیشن ۵ و ایکس باکس سری ایکس شده‌اید. این چیپ‌ها که تولید و نهایی کردنشان به هزینه، فکر، زمان، تلاش و مهندسی بسیار و فوق‌العاده 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.

نکته کوچک اما مهمی که درباره چیپ‌های 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 ۶ یا ۷ 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 ۴ در حال حاضر، نسبت به زمان عرضه اولیه (سال ۲۰۱۳)، 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.

امیدوار هستیم این مطلب توانسته باشد به معلومات و دانش شما اضافه کرده و البته به سوال «چیپ‌های پردازنده‌ پلی استیشن ۵ و ایکس‌ باکس سری ایکس چگونه ساخته می‌شوند؟» پاسخ خوب و قابل قبولی داده باشد. نظر شما در مورد چیپ‌های مرکزی کنسول‌های بازی چیست؟ آیا به سخت افزار کنسول‌ها یا حتی رایانه‌های شخصی، علاقه مند هستید؟