آیا معماری آرم واقعاً از x86 بهینه‌تر است؟

دستگاه‌های هوشمند امروزی از گوشی و تبلت تا تلویزیون و حتی یخچال، همگی یک ویژگی سخت‌افزاری مشترک دارند: پردازنده‌ی آرم؛ اما چرا آرم و نه x86؟

در حرکتی غیرمنتظره اما تحول‌آفرین، اینتل و AMD که پیش‌تر رقبای سرسختی برای یکدیگر بودند، از تشکیل کارگروه مشاوره‌ای مشترک برای «توسعه‌ی اکوسیستم x86» خبر دادند. به‌نظر می‌رسد هدف از این همکاری، جلوگیری از سلطه‌ی ARM بر بازار کامپیوتر و حفظ موقعیت معماری x86 باشد.

گروه مشاوره‌ی اینتل و AMD قصد دارد استانداردسازی معماری x86 را در سراسر صنعت فناوری گسترش دهد و قدرت محاسباتی آن را برای استفاده در حوزه‌هایی که نیاز به استانداردهای مشترک دارند، به‌ویژه در حوزه‌ی هوش مصنوعی مولد، تقویت کند.

گروه مشاوره‌ای x86 جمعی از غول‌های فناوری از جمله مایکروسافت، گوگل، متا، لنوو، برودکام، اوراکل و دل را گرد هم آورده است. هاک تان، مدیرعامل برادکام، این همکاری را «نقطه‌ی عطفی در تاریخ محاسبات» نامید و توماس کورین، مدیرعامل سرویس فضای ابری گوگل، اعلام کرد که این همکاری «سطوح جدیدی از عملکرد و بهینگی مصرف انرژی» را به ارمغان خواهد آورد. در جریان مراسم، پت گلسینگر، مدیرعامل اینتل هم گفت:

با ظهور هوش مصنوعی مولد و پیشرفت‌های طراحی سیستم، تقاضا برای قدرت محاسباتی سریع‌تر از همیشه دچار تحول می‌شود. این اولین باری است که من و لیسا [مدیرعامل AMD] بر سر موضوعی توافق کرده‌ایم؛ اما این بار، این همکاری به صلاح همه خواهد بود

– پت گلسینگر، مدیرعامل شرکت اینتل

با وجود رقابت شدید اینتل و AMD در بازارهای ریزپزدازنده‌ها، تاریخچه‌ی همکاری آن‌ها در توسعه‌ی استانداردهای کلیدی محاسباتی مانند تاندربولت، PCIe و USB، پایه‌ای محکم برای این ابتکار جدید فراهم کرده است. معماری x86 که بیش از ۴۰ سال به‌عنوان ستون فقرات محاسبات مدرن عمل کرده، معماری مرسوم در محصولات دسکتاپ و سرور در پردازنده‌های معروف اینتل مانند پنتیوم و Core i3/i5/i7/i9 و همچنین سری پردازنده‌های رایزن و آتلون شرکت AMD بوده‌اند.

در سال‌های اخیر، بازار لپ‌تاپ‌ها و حتی سرورهای مورد استفاده در آموزش مدل‌های زبانی بزرگ به استفاده از معماری آرم روی آورده است. چنین تغییری، هر دو تیم آبی و قرمز را نگران کرده که نکند ادامه‌ی این روند تهدیدی جدی برای آینده‌ی معماری x86 باشد.

درحالی‌که اینتل برای حفظ موقعیت x86 تلاش می‌کند، سؤالی که احتمالاً ذهن بسیاری را به خود درگیر کرده، این است: آیا معماری آرم واقعاً از x86 کارآمدتر است و در آینده، امیدی به زنده‌ماندن x86 باقی خواهد ماند؟

معماری x86؛ راه طولانی توسعه

سال‌ها است که x86 به‌عنوان معماری بسیار قدرتمندی برای پردازنده‌ها شناخته می‌شود، اما در بحث بهینگی مصرف انرژی حرف زیادی برای گفتن ندارد. پردازنده‌های x86 براساس معماری CISC (محاسبات با مجموعه دستورالعمل‌های پیچیده) توسعه یافته‌اند که مجموعه‌ای بزرگ از دستورالعمل‌های پیچیده را شامل می‌شود. پیچیدگی و چند لایه بودن این دستورالعمل‌ها سبب مصرف انرژی بیشتری می‌شود. به عنوان مثال، هر دستور می‌تواند به چند فراخوانی از حافظه نیاز داشته باشد که هرکدام می‌تواند چندین چرخه‌ی پردازنده طول بکشد. نتیجه‌ی واضح این امر، افزایش مصرف انرژی به ازای اجرای هر دستور است.

معماری آرم؛ راه‌حلی برای همه‌ی فصل‌ها

در سوی دیگر طیف معماری پردازنده‌ها، مفهوم RISC (محاسبات با مجموعه دستورالعمل‌های ساده) قرار دارد که این روزها به‌عنوان یک مزیت بزرگ برای معماری آرم محسوب می‌شود؛ زیرا هر دستورالعمل در آن به گونه‌ای طراحی شده است که اجرای آن سریع‌تر و ساده‌تر باشد. همچنین، دستورالعمل‌های پردازنده در این مفهوم طراحی دارای طول ثابت هستند که فرایند رمزگشایی را آسان‌تر می‌کند.

بلوک دیاگرام یک سیستم روی تراشه با معماری آرم

عکاس: Peter John Bishop / Wikimedia Commons

اگر پا را از مفهوم RISC فراتر گذاشته و به آرم به‌عنوان معماری تراز RISC بنگریم، علاوه‌بر مزیت‌های نام‌برده‌شده، می‌توان ویژگی‌های دیگری به فهرست مزیت‌های آرم افزود؛ ازجمله اینکه دستورالعمل‌های Thumb در معماری آرم که کوتاه‌تر از سایر دستورالعمل‌ها هستند، باعث کاهش بیشتر اندازه‌ی کد در فضای حافظه می‌شود. این دستورالعمل‌های کوچک‌تر به معنای نیاز کمتر به بازیابی اطلاعات از حافظه و امکان قرار گرفتن تعداد بیشتری از دستورالعمل‌ها در کش پردازنده است.

به‌علاوه تراشه‌های آرم اغلب به‌عنوان بخشی از یک سیستم روی تراشه (SoC) عمل می‌کنند، نه یک پردازنده‌ی مستقل که از طریق مادربرد با بقیه‌ی اجزای کامپیوتر ارتباط برقرار می‌کند. این ارتباطات مستقیم بین پردازنده‌ی آرم و کنترل‌کننده‌ی حافظه، واحد پردازش گرافیکی و دیگر اجزای مهم سخت‌افزاری می‌تواند به بهبود بازدهی کمک کند. حافظه‌ی یکپارچه‌ی اپل دقیقاً به همین ترتیب کار می‌کند و یکی از عوامل مؤثر در افزایش عمر باتری محصولات این شرکت است.

بهینگی آرم؛ افسانه یا حقیقت؟

معماری آرم معمولاً به دلیل بهینگی مصرف انرژی مورد ستایش قرار می‌گیرد و به همین‌ دلیل، به معماری غالب در دستگاه‌های قابل‌ حمل تبدیل شده است. آرم بیش از یک دهه است که در گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود و اخیراً نیز تولید‌کنندگان لپ‌تاپ برای افزایش عمر باتری، درحال روی آوردن به پردازنده‌های آرم هستند. بااین‌حال، شرکت اینتل ادعا می‌کند که با پردازنده‌های لونار لیک می‌تواند «افسانه» کارآمدتر بودن آرم نسبت به x86 را در هم بشکند.

برای مثال، کاری که انویدیا با تراشه‌ی Grace Blackwell انجام داد، نمونه‌ی خوبی است که نشان می‌دهد چطور یک شرکت توانسته از انعطاف‌پذیری معماری آرم بهره ببرد، نوآوری و سفارشی‌سازی کند و مصرف انرژی محصولش را تا ۲۵ برابر کاهش دهد؛ آن هم در حالی که عملکرد را نسبت به تراشه‌ی انویدیا H100 (که از معماری‌های رقیب برای پردازش مدل‌های زبانی بزرگ بهره می‌گیرد) تا ۳۰ برابر افزایش داده است.

برای اینکه معماری x86 به اندازه‌ی آرم کارآمد شود، اینتل باید تغییرات عمده‌ای ایجاد کند. یکی از چالش‌های اصلی به مجموعه دستورالعمل‌ها (Instruction Set) برمی‌گردد که مصرف انرژی بیشتری دارد. چرخه‌ی واکشی (Fetch)، رمزگشایی و اجرای دستورالعمل‌ها در x86 پیچیده‌تر از آرم هستند. یکی از روش‌های حل این مشکل، ساده‌سازی دستورالعمل‌های پیچیده به میکروعملیات‌های واحد است که به کاهش مصرف انرژی مراحل اجرایی دستورالعمل‌ها کمک می‌کند.

اغلب علاقه‌مندان حوزه‌ی پردازنده‌ها امیدوارند که اینتل در مسیر بهینه‌سازی معماری x86 موفق شود؛ نه به این دلیل که صرفاً طرفدار اینتل هستند، بلکه به این دلیل که موفقیت اینتل، شرایط رقابت پایدار را تمدید می‌کند. چنین رقابتی برای همه‌ی طرف‌ها مفید است. اینتل سال‌ها بر دنیای پردازنده‌ها حاکم بود، تا اینکه AMD و بعد بازیگران دیگر پا به میدان گذاشتند و سلطه‌ی مطلق اینتل را به چالش کشیدند. حالا اینتل در موقعیت ضعف قرار گرفته و اگر بتواند پردازنده‌ی x86‌ را طوری بهینه کند که با آرم قابل رقابت باشد، این تنها یک بازگشت موفق نخواهد بود؛ بلکه مانند ققنوسی است که از خاکستر برمی‌خیزد.

اگرچه اخیراً شاهد عرضه‌ی پردازنده‌های لونار لیک بوده‌ایم، انتظار می‌رود که همانند پردازنده‌های میتیور لیک، دسترسی واقعی مصرف‌کنندگان به آن‌ها برای تست‌های دقیق در سال ۲۰۲۵ اتفاق بیفتد. اینتل درباره‌ی بازدهی پردازنده‌های جدید نسبت به آرم تبلیغات زیادی کرده است، اما هنوز نمی‌دانیم آنچه به دست مصرف‌کنندگان خواهد رسید، انتظارات را برآورده خواهد کرد یا خیر.

سؤال‌های بسیاری کماکان درباره‌ی پردازنده‌های لونار لیک بی‌پاسخ مانده‌اند: مثلاً اینکه مدل‌ها دقیقاً چه هستند؟ آیا فقط نسخه‌های بالارده از هشت هسته بهره می‌برند یا تمامی مدل‌ها؟ آیا عملکرد واحد پردازش عصبی که به ادعای اینتل تا ۴۸ تریلیون عملیات‌برثانیه می‌رسد، در تمامی نسخه‌ها موجود خواهد بود؟ اما بزرگ‌ترین علامت سؤال همچنان در مورد بازدهی است. باید منتظر بمانیم و ببینیم چه می‌شود.