في كل مرة يُطلق فيها هاتف ذكي رائد جديد، يركز معظم النقاش العام على الكاميرا أو الشاشة أو السعر. لكن المكون الذي يقوم بأكبر عبء تقني — ويستهلك أكبر حصة من ميزانية البحث والتطوير للهاتف — هو نظام الشريحة الواحدة، أو SoC، القطعة الواحدة من السيليكون التي تجمع المعالج ومحرك الرسوميات ووحدات التحكم بالذاكرة، وبشكل متزايد مسرّع ذكاء اصطناعي مخصص. فهم كيفية وجود تلك الشريحة فعلياً يفسر الكثير عن سبب تحسّن الهواتف بالطريقة التي تتحسن بها كل عام، ولماذا لا تظهر شريحة أُعلن عنها اليوم في جهاز إلا بعد وقت طويل.
تبدأ بالهندسة المعمارية، قبل السيليكون بسنوات
تبدأ عملية تصميم شريحة هاتف ذكي قبل أي تصنيع فيزيائي بوقت طويل، في مرحلة تُسمى تصميم الهندسة المعمارية. يقرر المهندسون عدد أنوية المعالج التي ستمتلكها الشريحة، وكيف ستُقسَّم تلك الأنوية بين أدوار عالية الأداء وعالية الكفاءة، ومقدار ذاكرة التخزين المؤقت في كل مستوى، وكيفية تواصل كتل معالجة الرسوميات والذكاء الاصطناعي مع بقية النظام. تُتخذ هذه القرارات باستخدام برمجيات محاكاة موسّعة بدلاً من نماذج فيزيائية أولية، إذ سيكون بناء واختبار شريحة حقيقية لكل خيار تصميم بطيئاً ومكلفاً بشكل مانع.
تستغرق هذه المرحلة المعمارية عادة من سنة إلى سنتين بمفردها، والقرارات المتخذة هنا تُرسّخ مقايضات يصعب عكسها لاحقاً. شريحة مُحسَّنة بشدة لسرعة معالجة خام، مثلاً، تميل لأن تسخن أكثر وتستنزف البطارية أسرع، بينما قد تضحي شريحة مُحسَّنة للكفاءة بأداء الذروة في مهام مُتطلِّبة مثل الألعاب أو تحرير الفيديو. تبذل شركات الشرائح جهداً هائلاً لمحاولة إيجاد توازن يلائم الطريقة الفعلية التي يستخدم بها الناس هواتفهم، وهذا جزء من سبب استثمار الشركات بشدة في أبحاث أنماط الاستخدام قبل وضع الصيغة النهائية للهندسة المعمارية.
قرار معماري ذو صلة يتضمن عدد أنواع أنوية المعالج المتمايزة المُدرَجة ونسبها، نهج يُوصف غالباً بتصميم غير متجانس. بدلاً من بناء شريحة بأنوية متطابقة عديدة، تمزج معظم شرائح الهواتف الذكية الحديثة عدداً صغيراً من الأنوية عالية الأداء المخصصة لفترات نشاط قصيرة ومُتطلِّبة مع عدد أكبر من الأنوية الأصغر والأكثر كفاءة المخصصة للتعامل مع مهام الخلفية المستمرة منخفضة المستوى التي يؤديها الهاتف حتى أثناء بقائه خاملاً في الجيب. تقرر البرمجيات العاملة على الهاتف بعد ذلك، مُنسَّقة بنظام التشغيل، لحظة بلحظة أي نوع نواة يجب أن يتولى مهمة معينة، عملية موازنة أصبحت أكثر تطوراً مع إضافة الشرائح أنواع أنوية متمايزة أكثر لا أقل.
تحويل التصميم إلى مخطط فيزيائي
بمجرد الاستقرار على الهندسة المعمارية، يترجم المهندسون ذلك إلى مخطط فيزيائي — مخطط مفصَّل للغاية يصف الموضع الدقيق لمليارات الترانزستورات الفردية والأسلاك المجهرية التي تربطها. هذه المرحلة، تُسمى التصميم الفيزيائي، هي حيث تصبح القرارات الهندسية المجردة خريطة حرفية لجغرافيا السيليكون، وهي مؤتمتة بالكامل تقريباً لأنه ما من فريق بشري يستطيع وضع مليارات المكونات يدوياً بالدقة المطلوبة.
جزء حاسم من التصميم الفيزيائي هو تحديد عملية التصنيع، أو 'العقدة'، التي ستُبنى عليها الشريحة. تُوصف عقد التصنيع عادة برقم من النانومترات، ويعني الرقم الأصغر عموماً أن الترانزستورات مُعبَّأة بكثافة أكبر، ما يميل لتحسين الأداء والكفاءة معاً. الانتقال لعقدة أصغر ليس مجرد تصغير للتصميم الموجود رغم ذلك — يتطلب عادة عمل إعادة تصميم كبير لمراعاة كيفية تغيّر السلوك الكهربائي عند ذلك المقياس، وهذا أحد أسباب عدم وصول أجيال شرائح الهواتف دائماً وفق جدول سنوي يمكن التنبؤ به تماماً.
التصنيع: حيث يصبح السيليكون شريحة
التصنيع هو مرحلة التصنيع الفيزيائي، تُنفَّذ في منشآت متخصصة تُسمى مسابك تمثل بعض أكثر البنى التحتية الصناعية كثافة رأسمالية في العالم، وغالباً ما تكلف عشرات المليارات من الدولارات لبناء منشأة واحدة متقدمة. حفنة صغيرة فقط من الشركات عالمياً تُشغّل مسابك قادرة على تصنيع أكثر شرائح الهواتف الذكية تقدماً، وهذا سبب عدم امتلاك معظم مصممي الشرائح الرئيسيين لمصانعهم الخاصة والتعاقد بدلاً من ذلك مع شركات مسابك متخصصة للتصنيع.
تتضمن عملية التصنيع نفسها طبقات وحفراً وتطعيماً متكرراً لأغشية فائقة الرقة على رقاقة سيليكون باستخدام تقنيات مثل الطباعة الضوئية، حيث تُعرض أنماط على الرقاقة باستخدام ضوء مُتحكَّم به بدقة، أحياناً بأطوال موجية محددة لدرجة أن الآلات المستخدمة من بين أكثر قطع المعدات تعقيداً التي بُنيت على الإطلاق. يمكن أن تتطلب شريحة هاتف ذكي متقدمة واحدة مئات الخطوات المعالِجة الفردية، ويمكن أن تستغرق دورة التصنيع الكاملة لدفعة واحدة من الشرائح عدة أشهر من البداية للنهاية.
الاختبار والمردود ولماذا لا تتطابق كل الشرائح
بعد التصنيع، تمر كل شريحة على الرقاقة باختبار موسّع قبل تركيبها في جهاز، إذ عيوب التصنيع بهذا المقياس من الدقة شائعة بما يكفي لأن نسبة ذات معنى من الشرائح على أي رقاقة معينة لن تعمل بشكل صحيح ببساطة. تُسمى نسبة الشرائح التي تجتاز الاختبار المردود، وتحسين المردود من أكثر المقاييس مراقبة عن كثب في صناعة الشرائح بأكملها، إذ حتى تحسينات المردود الصغيرة تُترجم لوفورات تكلفة كبيرة على مقياس ملايين الوحدات.
الشرائح التي تجتاز الاختبار لكنها لا تلبي تماماً مواصفة الأداء الأعلى لا تُهمَل بالضرورة — غالباً ما تُباع كنسخة أدنى فئة مع تعطيل بعض الأنوية أو الميزات، ممارسة تُسمى التصنيف. هذا جزء من سبب تضمُّن عائلة شرائح أحياناً عدة نسخ بعدد أنوية أو سرعات مختلفة قليلاً، رغم أنها قد بدأت كسيليكون متطابق فيزيائياً أدى ببساطة بشكل مختلف أثناء الاختبار.
التغليف: ربط الشريحة بباقي الهاتف
بمجرد قطع شرائح فردية من الرقاقة، تمر بالتغليف، حيث تُغلَّف رقاقة السيليكون الخام وتُربط بنقاط التلامس الكهربائية التي ستربطها في النهاية بباقي دوائر الهاتف. تستخدم شرائح الهواتف الذكية الحديثة بشكل متزايد تقنيات تغليف متقدمة تُكدّس مكونات سيليكون متعددة، مثل المعالج والذاكرة، قريبة جداً من بعضها في ثلاثة أبعاد بدلاً من ترتيبها بشكل مسطح، ما يقلل المسافة الفيزيائية التي يجب أن تقطعها البيانات ويُحسّن السرعة والكفاءة معاً.
أصبحت مرحلة التغليف هذه مجال ابتكار متزايد الأهمية بحد ذاته، إذ تزداد صعوبة وتكلفة دفع الحدود الفيزيائية لتصغير الترانزستورات أكثر. جاءت بعض أهم مكاسب الأداء في أجيال الشرائح الأخيرة ليس فقط من ترانزستورات أصغر، بل من تغليف أذكى يتيح لمكونات مختلفة العمل معاً بكفاءة أكبر.
من يصمم هذه الشرائح فعلياً
عدد صغير نسبياً من الشركات يصمم الشرائح التي تُشغّل الغالبية العظمى من هواتف العالم الذكية، وتختلف نماذج أعمالها بطريقة مهمة. بعض الشركات تصمم شرائح حصرية لأجهزتها الخاصة، مدمجة السيليكون بإحكام مع نظام تشغيلها وبرمجياتها الخاصة بحيث تستطيع فرق الأجهزة والبرمجيات التحسين لبعضها مباشرة، عملية تتيح عموماً تخصيصاً أعمق لكنها تتطلب منظمة هندسية داخلية ضخمة لتحقيقها.
شركات أخرى تصمم شرائح تحديداً لبيعها لنطاق واسع من مصنعي الهواتف، متنافسة في السوق المفتوحة على فوز التصاميم عبر علامات تجارية وفئات أسعار مختلفة كثيرة. يتطلب هذا النموذج الثاني موازنة احتياجات عملاء كثيرين في آن واحد، من الهواتف الاقتصادية إلى الرائدة، ويميل لإنتاج شرائح بقدرة أعم وأوسع بدلاً من ميزات مُضبوطة بدقة لخط منتج شركة واحدة. أثبت كلا النهجين جدواه تجارياً، والمنافسة بينهما محرك رئيسي لوتيرة التحسن عبر الصناعة ككل.
وراء معظم هذه التصاميم تقريباً، بغض النظر عن الشركة التي تبيع الشريحة النهائية، يقف أساس مشترك من هندسة مجموعة تعليمات المعالج المُرخَّصة من شركات هندسة معمارية متخصصة، التي تُوفّر المخطط الأساسي الذي يُخصّصه ويُوسّعه ويُحسّنه مصممو الشرائح الفرديون بعد ذلك وفق أولوياتهم الخاصة.
صعود كتل معالجة الذكاء الاصطناعي المخصصة
حتى وقت قريب نسبياً، كانت أنوية المعالج عامة الغرض في شريحة الهاتف الذكي تتولى كل مهام الحوسبة تقريباً، بما فيها نوع أعباء عمل التعرف على الأنماط المرتبطة الآن بميزات الذكاء الاصطناعي على الجهاز مثل تحسين الصور والتعرف على الصوت والنص التنبؤي. يمكن للأنوية عامة الغرض تشغيل هذه الأعباء تقنياً، لكنها تفعل ذلك بكفاءة أقل مقارنة بأجهزة مبنية تحديداً لنوع العمليات الرياضية المتكررة التي تعتمد عليها نماذج التعلم الآلي.
استجابةً لذلك، بدأت شركات الشرائح إضافة كتلة مخصصة للشريحة مُحسَّنة تحديداً لهذه الحسابات على طراز الذكاء الاصطناعي، تُسمى غالباً وحدة معالجة عصبية أو مصطلح مشابه حسب الشركة المصنعة. يمكن لهذه الأجهزة المخصصة إنجاز مهام معينة متعلقة بالذكاء الاصطناعي باستخدام جزء صغير من الطاقة التي تحتاجها نواة عامة الغرض للمهمة نفسها، وهذا يهم بشكل كبير في جهاز يعمل بالبطارية حيث يؤثر كل جزء من الواط على مدة استمرار الهاتف بين الشحنات.
مع توسع ميزات الذكاء الاصطناعي على الجهاز من معالجة صور بسيطة إلى مهام أكثر تعقيداً مثل الترجمة الفورية وإنشاء محتوى توليدي، نما مقدار مساحة الشريحة وجهد التصميم المخصص لهذه الأجهزة المتخصصة للذكاء الاصطناعي بشكل كبير مع كل جيل، لدرجة أنه يمثل الآن أحد المجالات الرئيسية التي يستخدمها مصممو الشرائح المتنافسون لتمييز منتجاتهم عن بعضها.
ميزات أمان مبنية مباشرة في السيليكون
تتحمل شرائح الهواتف الذكية الحديثة أيضاً مسؤولية كبيرة عن الأمان، تتجاوز بكثير ما يراه معظم المستخدمين مباشرة. منطقة مخصصة ومعزولة فيزيائياً من الشريحة، تُسمى غالباً حصناً آمناً أو عنصراً آمناً حسب الشركة المصنعة، مصممة تحديداً لتخزين ومعالجة معلومات شديدة الحساسية مثل بيانات بصمات الأصابع ونماذج التعرف على الوجه والمفاتيح التشفيرية المستخدمة للمدفوعات، مُبقِيةً هذه البيانات معزولة عن بقية نظام التشغيل حتى لو تعرضت أجزاء أخرى من برمجيات الهاتف للاختراق.
يوجد هذا العزل على مستوى الأجهزة لأن إجراءات الأمان القائمة على البرمجيات وحدها يمكن تجاوزها احتمالاً إذا حصل مهاجم على وصول عميق كافٍ لنظام التشغيل، بينما يضيف فصل العمليات الأكثر حساسية فيزيائياً إلى سيليكون مخصص حاجزاً أصعب تجاوزه بشكل ذي معنى. أصبح الأمان على مستوى الشريحة أولوية تصميم بارزة بشكل متزايد مع تحمّل الهواتف مسؤولية أكبر عن المعاملات المالية والهوية الرقمية والوصول لبيانات شخصية حساسة بشكل متزايد.
هذا أيضاً سبب تخصيص شركات الشرائح الآن فرقاً هندسية محددة لهندسة الأمان فقط، متمايزة عن الفرق العاملة على الأداء الخام أو الكفاءة، ما يعكس مدى اتساع أولويات تصميم الشرائح إلى ما هو أبعد من مجرد جعل المعالج أسرع من جيل لآخر.
لماذا تُشكّل تكاليف تطوير الشرائح أسعار الهواتف
أصبح تصميم شريحة هاتف ذكي متطورة مكلفاً للغاية، إذ تصل التكلفة المجمعة للهندسة المعمارية والتصميم الفيزيائي وأدوات البرمجيات المتخصصة اللازمة لإدارة مليارات الترانزستورات الآن لمئات ملايين الدولارات لجيل واحد فقط، قبل تصنيع وحدة واحدة. يضيف التصنيع المتقدم نفسه تكلفة إضافية فوق ذلك، إذ يتطلب التصنيع على أحدث عقد المعالجة الوصول لبعض أغلى المعدات الصناعية التي بُنيت على الإطلاق، وتُمرّر المسابك حصة من تلك التكلفة الرأسمالية لعملائها عبر السعر المفروض لكل شريحة مكتملة.
لا يمكن استرداد هذه التكاليف إلا إذا بيعت شريحة بحجم هائل، وهذا جزء من سبب تنافس حفنة فقط من الشركات بجدية في قمة سوق شرائح الهواتف الذكية، ولماذا أصبح دخول ذلك السوق من الصفر كمنافس جديد صعباً بشكل شبه مانع. يفسر هذا أيضاً نمطاً يمكن للمستهلكين ملاحظته مباشرة: تميل الهواتف الرائدة التي تستخدم أحدث الشرائح وأكثرها تطوراً لفرض أعلى الأسعار، بينما تستطيع الهواتف المبنية على شرائح من جيل أقدم قليلاً، أو مُصنَّعة على عقدة معالجة أقل تطوراً، الوصول لنقاط أسعار أقل بشكل ملحوظ، إذ استُردت بالفعل حصة كبيرة من تكلفة التصميم والتجهيز الأولية الهائلة بحلول استخدام تلك الشريحة في جهاز أكثر اقتصادية.
لماذا تستغرق الدورة الكاملة سنوات
بدءاً من التخطيط المعماري الأولي حتى شريحة مكتملة تُشحن داخل هاتف ذكي بالتجزئة، تمتد الدورة الكاملة عادة من سنتين إلى ثلاث سنوات، وهذا سبب التخطيط لخرائط طريق الشرائح مسبقاً بهذا القدر ولماذا يمكن لتأخير في أي مرحلة واحدة، من مشكلة تصنيع إلى اختناق تغليف، أن يتردد صداه للأمام ليؤخر إطلاقات المنتجات بعد أشهر عديدة.
يفسر هذا الوقت الطويل أيضاً لماذا تعمل شركات الشرائح ومصنعو الهواتف على تصاميم الجيل التالي بينما لا يزال الجيل الحالي يُباع — بحلول وصول هاتف رائد لرفوف المتاجر، تكون فرق الهندسة عادة قد تعمقت بالفعل في الهندسة المعمارية والتصميم الفيزيائي لشرائح لن تظهر في منتج مشحون لسنة أو سنتين أخريين.
يعني هذا أيضاً أن الشريحة المحددة التي تُشغّل أي هاتف رائد يصنع عناوين الأخبار اليوم صُممت، بمعنى حقيقي جداً، لنسخة من السوق كانت موجودة قبل سنتين أو ثلاث، بناءً على افتراضات حول تقنية الكاميرا وتقنية الشاشة وأعباء عمل التطبيقات النموذجية كان على المهندسين تخمينها قبل وضوح تلك الاتجاهات بالكامل، وهذا جزء من سبب استثمار فرق تصميم الشرائح بشدة في التنبؤ بدلاً من مجرد الاستجابة للحاضر.
لماذا يُحدِّد المردود كل شيء
لا تعمل كل رقاقة على رقيقة، إذ لا مفر من العيوب المجهرية عند هذه الأبعاد، وتُسمَّى النسبة العاملة بالمردود.
يقود المردود الكلفة أكثر بكثير من سعر السيليكون الخام، لأن معالجة رقيقة تُكلِّف المبلغ ذاته تقريباً بغض النظر عن كم رقاقة عاملة تُنتج.
هذا سبب كون الرقاقات الأكبر باهظة بشكل غير متناسب، إذ إن مساحة أكبر أرجح لاحتواء عيب، وهو سبب جوهري لتقسيم التصاميم لقطع أصغر.
كيف يُحوِّل التصنيف العيوب لمنتجات
الرقاقات التي تفشل في الاختبار بالمواصفة الكاملة لا تزال بشكل متكرر قابلة للاستخدام بسرعات أقل أو بتعطيل الأقسام المعيبة كلياً.
يبيع المصنعون هذه كمنتجات درجة أدنى، ما يعني أن رقاقة اقتصادية غالباً متطابقة فيزيائياً مع فاخرة بأجزاء مُطفأة.
تُحوِّل هذه الممارسة، المُسمَّاة التصنيف، ما سيكون بخلاف ذلك نفايات لإيراد، وتفسر لماذا تتشارك نطاقات المنتجات بشكل متكرر تصميماً كامناً.
تمثل الشريحة داخل الهاتف الذكي سنوات من القرارات الهندسية المتراكمة، من مقايضات معمارية مجردة تُتخذ قبل وجود أي سيليكون فيزيائي بوقت طويل، عبر تصميم فيزيائي مؤتمت، وتصنيع كثيف رأسمالياً، واختبار وتصنيف دقيقين، وتغليف متزايد التطور، وأجهزة ذكاء اصطناعي مخصصة، وأمان على مستوى الأجهزة. تأتي تحسينات كل جيل من تقدم عبر كل هذه المراحل يعمل معاً بدلاً من أي اختراق واحد، وهذا جزء من سبب أصبحت المكاسب من عام لعام تدريجية أكثر حتى مع استمرار نمو الجهد الهندسي الكامن. بالنسبة للمستهلكين، الخلاصة العملية أن اسم الشريحة التسويقي وأرقام السرعة الرئيسية تلتقط شريحة صغيرة فقط مما دخل فعلياً في صنعها. تمتد القصة الحقيقية عبر فرق تصميم تعمل قبل إطلاق المنتج بسنوات، ومسابك تُشغّل بعضاً من أكثر المعدات الصناعية تطوراً التي بُنيت على الإطلاق، وسباقاً متزايداً لتركيب أجهزة ذكاء اصطناعي وأمان متخصصة على قطعة السيليكون الصغيرة نفسها — كل ذلك مُنسَّق عبر سلسلة توريد عالمية يعتمد عليها القليل من المنتجات الاستهلاكية الأخرى بهذا القدر. هذا التعقيد نفسه أيضاً سبب بقاء صناعة شرائح الهواتف الذكية مُركَّزة بين شركات قليلة جداً، ولماذا يمكن للاضطرابات في أي نقطة عبر هذه السلسلة، من نقص في مادة تصنيع محددة إلى تأخير في مسبك متقدم واحد، أن تتردد للخارج لتؤثر على توفر الهواتف وأسعارها عالمياً بعد أشهر. في المرة القادمة التي تُعلن فيها شريحة هاتف جديد، يستحق تذكّر أن ما يُكشَف عنه علناً هو حقاً الخطوة النهائية المرئية لعملية بدأت قبل سنوات ولامست عشرات التخصصات الهندسية المتخصصة على طول الطريق.
المصادر
- ويكيبيديا — نظرة عامة على تصميم نظام الشريحة الواحدة ومكوناته
- IEEE Spectrum — تغطية تقنية لتصميم وتصنيع أشباه الموصلات
- شركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات (TSMC) — خلفية عن عمليات تصنيع المسابك من شركة تصنيع شرائح رائدة
- Arm — خلفية عن ترخيص هندسة معالجات الجوال
- مؤتمر IEEE الدولي لاجتماع الأجهزة الإلكترونية — أبحاث أكاديمية وصناعية عن تقنية أجهزة أشباه الموصلات
الأسئلة الشائعة
كم يستغرق تصميم وتصنيع شريحة هاتف ذكي؟
تستغرق الدورة الكاملة من التخطيط المعماري الأولي حتى شريحة مكتملة تُشحن في هاتف بالتجزئة عادة من سنتين إلى ثلاث سنوات.
لماذا لا يمتلك معظم مصممي الشرائح مصانعهم الخاصة؟
يمكن أن يكلف بناء وتشغيل منشأة تصنيع شرائح متقدمة عشرات المليارات من الدولارات، لذا يتعاقد معظم مصممي الشرائح مع شركات مسابك متخصصة للتصنيع بدلاً من ذلك.
ماذا يعني 'التصنيف' في تصنيع الشرائح؟
التصنيف ممارسة بيع الشرائح التي تجتاز الاختبار لكنها لا تلبي مواصفات الأداء الأعلى كنسخ أدنى فئة مع تعطيل بعض الميزات أو الأنوية، بدلاً من إهمالها.
هل يعني رقم عقدة تصنيع أصغر دائماً شريحة أفضل؟
عموماً تُحسّن العقد الأصغر الأداء والكفاءة بتعبئة الترانزستورات بكثافة أكبر، لكن الانتقال لعقدة أصغر يتطلب إعادة تصميم كبيرة ولا يضمن تلقائياً أداءً واقعياً أفضل بحد ذاته.
لماذا تصل أجيال الشرائح أحياناً متأخرة عن المتوقع؟
لأن العملية تتضمن مراحل متسلسلة كثيرة، يمكن لتأخير في أي مرحلة واحدة، من مشاكل تصنيع إلى اختناقات تغليف، أن يؤخر الجدول الزمني الكامل لمنتج مشحون.
عن الكاتب
نعتمد على ويكيبيديا، وIEEE Spectrum، وشركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات (TSMC)، وArm، ومؤتمر IEEE الدولي لاجتماع الأجهزة الإلكترونية لشرح خلفية وفهم هذا الموضوع.
هل أعجبك المقال؟
شارك عبر واتساب ← شارك عبر واتساب
احصل على المزيد من الأدلة في بريدك — اشترك في نشرتنا البريدية للحصول على قصص أسبوعية مثيرة للاهتمام من مصر والسعودية ودبي وأكثر.