همه چیزهای مهم و شگفت انگیز درباره تراشه و پردازنده Processor And Chip

تراشه های الکترونیکی در واقع یک اختراع جادویی در دنیای مدرن و فناوری هستند که به طور جداگانه یا در ترکیب با یکدیگر، یک انقلاب بزرگ برای رشد و پیشرفت دستاوردهای الکترونیکی و دیجیتال ایجاد کرده‌اند. این تکنولوژی‌های کوچک اما قدرتمند به ما این امکان را می‌دهند که دنیای پیچیده و متغیر امروزی را در دستان خود بگیریم و از آن بهره‌برداری کنیم. در این مقاله، به معرفی و بررسی انواع تراشه های الکترونیکی می‌پردازیم تا درک بهتری از اهمیت و کاربردهای آنها در دنیای مدرن داشته باشیم.

تاریخچه تراشه های الکترونیکی :

تاریخ ساخت تراشه‌های مدار مجتمع یکپارچه (IC) برای اولین بار به سال ۱۹۶۰ برمی‌گردد. این تکنولوژی از ایده ادغام اجزای الکترونیکی در یک واحد یکپارچه متولد شد. ورنر ژاکوبی ، یک فیزیکدان و مهندس آلمانی، در سال ۱۹۴۹ ترانزیستور یکپارچه اول را کشف کرد و رادیو بریتانیایی را توسعه داد و ثبت اختراع کرد. مهندس جفری دامر نیز در سال ۱۹۵۲ پیشنهاد ادغام اجزای الکترونیکی مختلف در یک کریستال نیمه‌هادی یکپارچه را مطرح کرد. در سال ۱۹۵۳ تا ۱۹۵۷، سیدنی دارلینگتون و یاسو تاروئی (آزمایشگاه الکتروتکنیکی) طرح‌هایی برای تراشه‌های مشابهی ارائه دادند که در آن تعدادی ترانزیستور می‌توانستند یک ناحیه فعال مشترک را به اشتراک بگذارند، اما هیچ جداسازی الکتریکی برای جدا کردن آنها از یکدیگر وجود نداشت.

تا اواخر سال ۱۹۵۸، صنعت و نمونه‌سازی تراشه‌های مدار مجتمع به مشکلاتی برخورد کرد. سه نفر از سه شرکت آمریکایی مشکلات اصلی را که موانع تولید تراشه‌های مدار مجتمع می‌شدند را حل کردند. جک کیلبی از تگزاس اینسترومنتز اصل یکپارچگی را به ثبت رساند و اولین نمونه‌های IC ها را ایجاد کرد و آنها را بازاریابی کرد. اختراع کیلبی به جای یک تراشه مدار مجتمع یکپارچه (IC مونولیتیک) یک مدار مجتمع ترکیبی (IC هیبریدی) بود. بین اواخر سال ۱۹۵۸ و اوایل سال ۱۹۵۹، کورت لهووک از شرکت Sprague Electric راهی برای جداسازی الکتریکی اجزای یک کریستال نیمه‌هادی با استفاده از جداسازی اتصال p-n پیشنهاد داد.



اولین تراشه IC یکپارچه

اولین تراشه IC یکپارچه توسط رابرت نویس از Fairchild Semiconductor اختراع شد. او راهی برای اتصال اجزای آی سی (متالیزاسیون آلومینیوم) اختراع کرد و نسخه‌ای بهبودیافته از عایق را بر اساس فناوری فرآیند مسطح توسعه داد. در تاریخ ۲۷ سپتامبر ۱۹۶۰، گروهی از جی لست در Fairchild Semiconductor با استفاده از ایده‌های نویس و هورنی اولین آی سی نیمه‌هادی عملیاتی را ایجاد کردند. تگزاس اینسترومنتز که حق ثبت اختراع کیلبی را داشت، به جنگ اختراع پرداخت که در سال ۱۹۶۶ با توافقنامه مجوز متقابل حل و فصل شد.

در مورد اینکه کدام مخترع IC را اختراع کرده است، تفاوت نظر وجود دارد. در دهه ۱۹۶۰، رسانه‌های آمریکا چهار نفر را به نام‌های کیلبی، لهووک، نویس، و هورنی ذکر کردند. در دهه ۱۹۷۰، لیست به کیلبی و نویس کاهش یافت. کیلبی در سال ۲۰۰۰ جایزه نوبل فیزیک را به خاطر نقشش در اختراع مدار مجتمع دریافت کرد. در دهه ۲۰۰۰، تاریخ‌نگارانی مثل لسلی برلین، بو لوژک، و آرجون ساکسنا ایده‌های مخترعان چندین تراشه IC را مورد تحقیق و بررسی قرار دادند و نقش کیلبی را بازنقد کردند.

ریزتراشه چیست؟

ریزتراشه (همچنین به نام تراشه، تراشه کامپیوتر، مدار مجتمع یا آی‌سی نیز شناخته می‌شود) مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی روی یک قطعه کوچک و صاف از سیلیکون است. در تراشه، ترانزیستورها به عنوان کلیدهای الکتریکی کوچک عمل می‌کنند که قادر به روشن یا خاموش کردن جریان الکتریکی هستند. الگوی این ترانزیستورها روی ویفر سیلیکونی با اضافه و حذف مواد به صورت کنترل شده ایجاد می‌شود، به طوری که یک شبکه از اشکال مختلف به صورت لایه‌ای به هم پیوسته شکل گرفته و تشکیل می‌شود.

طلای دیجیتال

سیلیکون به عنوان ماده‌ای که در صنعت تراشه‌سازی استفاده می‌شود، انتخاب اصلی است. با اختلاف با فلزاتی که به طور معمول برای انتقال جریان الکتریکی استفاده می‌شوند، سیلیکون یک "نیمه‌رسانا" محسوب می‌شود، به این معنا که می‌توان خواص رسانایی آن را با مخلوط کردن آن با مواد دیگری مانند فسفر یا بور افزایش داد. این خاصیت امکان روشن یا خاموش کردن جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند.

اطلاعات خوبی که وجود دارد این است که سیلیکون در دسترس همه جا است! این عنصر از معدن ماسه استخراج می‌شود و دومین عنصر پراکنده‌ترین روی سطح زمین پس از اکسیژن محسوب می‌شود. ویفرهای سیلیکونی با استفاده از نوعی ماسه به نام ماسه سیلیسی ساخته می‌شوند که از دی اکسید سیلیکون تشکیل شده است. در این فرآیند، ماسه ذوب می‌شود و به شکل استوانه‌ای بزرگ به نام "شمش" ریخته می‌شود. سپس این شمش به ویفرهای نازک برش داده می‌شود.

مقیاس نانو

یک ریزتراشه به اندازه ناخن شما حاوی میلیاردها ترانزیستور است، بنابراین به راحتی می‌توان درک کرد که ویژگی‌های یک تراشه چقدر باید کوچک باشند. ویژگی‌های تراشه به واحد نانومتر اندازه‌گیری می‌شوند، که نانومتر به معنای یک میلیاردمتر یا یک میلیونیم میلی‌متر است.

برای مقایسه، قطر گلبول قرمز انسان ۷۰۰۰ نانومتر و ویروس آنفولانزا حدود ۱۰۰ نانومتر است. پیشرفته ترین ریزتراشه ها دارای ویژگی هایی هستند که تنها چند ده نانومتر اندازه دارند. فناوری EUV (اشعه ماوراء بنفش شدید) ASML این امکان را می دهد که مقیاس کوچکترین ویژگی حتی بیشتر کاهش یابد. هر چه ویژگی‌های الگوهایی که سیستم‌های ما می‌توانند ایجاد کنند کوچک‌تر باشد، سازندگان ترانزیستور بیشتری می‌توانند روی یک تراشه قرار بگیرند و تراشه بیشتر می‌تواند کار انجام دهد.

دو روش عمده برای دسته بندی ریزتراشه ها وجود دارد: بر اساس عملکرد و نوع مدار مجتمع. از نظر مدار، یک تراشه می تواند آنالوگ، دیجیتال یا مختلط باشد. تفاوت بین عملکرد آنالوگ و دیجیتال مربوط به سیگنال های الکتریکی است که آنها پردازش می کنند. در تراشه های دیجیتال، سیگنال ها باینری هستند. در تراشه‌های آنالوگ، سیگنال‌ها پیوسته هستند، به این معنی که می‌توانند هر مقداری را در یک محدوده معین دریافت کنند، و از عناصر مدار سنتی (مقاومت‌ها، خازن‌ها و گاهی اوقات سلف‌ها) استفاده می‌کنند.

از نظر عملکرد، چهار دسته اصلی وجود دارد: تراشه‌های منطقی، تراشه‌های حافظه، تراشه‌های یکپارچه ویژه برنامه (ASIC) و دستگاه‌های سیستم روی یک تراشه (SoC). دو نوع رایج تراشه ها، تراشه های منطقی و تراشه های حافظه، دیجیتال هستند: آنها بیت ها و بایت ها را با استفاده از ترانزیستورها دستکاری و ذخیره می کنند. ASIC و SoC عمدتاً ترکیبی از آنالوگ و دیجیتال هستند.

تراشه های منطقی "مغز" دستگاه های الکترونیکی هستند - آنها اطلاعات را برای تکمیل یک کار پردازش می کنند. در میان تراشه‌های منطقی، CPUها (واحدهای پردازش مرکزی) تراشه‌های اصلی هستند که اولین بار در دهه ۱۹۶۰ طراحی شدند. اما همچنین پردازنده هایی با عملکردهای خاص در نظر گرفته می شوند، مانند GPU (واحدهای پردازش گرافیکی، که برای نمایش بصری بهینه شده اند) و NPU (واحدهای پردازش عصبی، طراحی شده برای برنامه های کاربردی یادگیری عمیق و ماشین).

تراشه های حافظه اطلاعات را ذخیره می کنند. دو نوع حافظه وجود دارد: فرار و غیر فرار. تراشه‌های حافظه فرار، مانند DRAM (حافظه دسترسی تصادفی پویا)، تراشه‌های «حافظه کاری» هستند که داده‌ها را فقط در زمانی که برق دستگاه روشن است ذخیره می‌کنند. تراشه های حافظه غیر فرار مانند NAND Flash داده ها را حتی پس از خاموش شدن دستگاه ذخیره می کنند. به عنوان مثال، DRAM به اجرای برنامه ها در دستگاه شما کمک می کند، در حالی که NAND عکس های شما را ذخیره می کند. در حالی که DRAM سریع است، NAND در خواندن و نوشتن داده ها کند است.

ASIC ها تراشه های ساده و تک منظوره ای هستند که برای انجام روال های پردازش تکراری مانند اسکن بارکد استفاده می شوند.

SoC ها در اصل تراشه های یکپارچه هستند. آنها نوع نسبتا جدیدی از تراشه هستند که بسیاری از تراشه ها و مدارها را در یک تراشه واحد ترکیب می کند و ممکن است مواردی مانند گرافیک، صدا، دوربین، ویدئو و وای فای را با هم ادغام کند. امروزه انواع SoC ها به عنوان مهم ترین قطعه یک گوشی موبایل هوشمند شناخته شده و بخاطر تاثیر عملکرد این قطعه به عنونا پردازنده ؛ هنگام خرید گوشی جدید این قطعه با دقت مورد مقایسه و ارزیابی قرار میگیرد.

برترین سازندگان تراشه های موبایل

برترین سازندگان تراشه برای گوشی‌های موبایل در سراسر جهان تعداد زیادی شرکت تولیدکننده تراشه را شامل می‌شوند. این شرکت‌ها به دلیل توانایی‌ها و فناوری‌های پیشرفته‌ای که در توسعه تراشه‌های گوشی‌های هوشمند خود دارند، به عنوان اصلی‌ترین تامین‌کنندگان تراشه‌های مورد استفاده در گوشی‌های موبایل شناخته می‌شوند. از جمله برترین شرکت‌های تراشه ۵G در سراسر جهان می‌توان به شرکت‌های زیر اشاره کرد:Qualcomm Technologies خصوصا سری اسنپدراگون
شرکت Broadcom
شرکت فناوری هواوی با مسئولیت محدود
Infineon Technologies AG.
شرکت اینتل
کمپانی تایوانی Mediatek Inc 
شرکت نوکیا
شرکت سامسونگ "Exynos"

قدرت پردازش

پیشرفت‌های حوزه تراشه‌سازی منجر به افزایش بی‌پایان قدرت محاسباتی و عملکرد حافظه شده‌اند که به فناوری اجازه داده‌اند تا به سطحی نسبت به گذشته پیشرفت کند. از سال ۱۹۵۶ تا ۲۰۱۵، قدرت محاسباتی به خاطر وجود تراشه‌ها حدود یک میلیون برابر افزایش یافته. مثلا رایانه‌هایی که ماموریت‌های آپولو به ماه هدایت می‌کردند، تقریباً دو برابر قدرت یک کنسول بازی نینتندوی ( آن زمان ) قدرت داشتند. این رایانه‌ها دارای حافظه دسترسی تصادفی (RAM) با ظرفیت ۳۲,۷۶۸ بیت و حافظه خواندنی (ROM) با ظرفیت ۵۸۹,۸۲۴ بیت بودند. به عنوان مقایسه، یک گوشی موبایل هوشمند مدرن حدود ۱۰۰,۰۰۰ برابر قدرت پردازش بیشتری دارد، با تقریباً یک میلیون برابر ظرفیت RAM و هفت میلیون برابر ظرفیت ROM بیشتر.

هوش مصنوعی و تبادل اطلاعات

تراشه‌ها نقش بسیار مهمی در فعال‌سازی برنامه‌هایی مانند واقعیت مجازی، هوش مصنوعی (AI)، و همچنین تقنیت‌های ارتباطی مثل ۵G ایفا می‌کنند. علاوه بر این، آنها از الگوریتم‌های پیشرفته مانند مواردی که در یادگیری عمیق به کار می‌روند، استفاده می‌کنند.

تمام این محاسبات به میزان زیادی داده تولید می‌کنند. تا سال ۲۰۲۵، جهان حدود ۱۷۵ زتابایت (ZB) داده را در سال تولید خواهد کرد، که تقریباً معادل یک میلیارد ترابایت (TB) است. برای مقایسه، طبق گزارش "عصر داده ۲۰۲۵" ارائه شده توسط شرکت اطلاعات بازار IDC، اگر بخواهید ۱۸۰ زتابایت داده را روی دی‌وی‌دی‌ها ذخیره کنید، پشته دی‌وی‌دی‌های شما به اندازه‌ای بزرگ است که بیش از سیصد بار دور زمین بچرخد.

طراحان و سازندگان معروف تراشه ها در دنیا

طراحان و سازندگان معروف تراشه‌ها در دنیا از مجموعه‌ای از شرکت‌ها و نام‌های بزرگ تشکیل شده‌اند. در زیر، خلاصه‌ای از بزرگترین سازندگان تراشه در جهان آورده شده است:

۱. شرکت ساخت تراشه تایوان (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company - TSMC): TSMC یکی از بزرگترین و معتبرترین شرکت‌های تولید تراشه در جهان است و در تایوان مستقر است. آنها تراشه‌های پیشرفته برای شرکت‌هایی چون Apple، AMD، و Nvidia تولید می‌کنند.
۲. شرکت الکترونیکی سامسونگ (Samsung Electronics): شرکت سامسونگ، یکی از بزرگترین شرکت‌های الکترونیکی جهان است و تراشه‌های متنوعی از جمله تراشه‌های حافظه و پردازش تولید می‌کند.
۳.شرکت میکروالکترونیک‌های متحد (United Microelectronics Corporation - UMC): UMC یکی دیگر از شرکت‌های تایوانی تولید کننده تراشه‌های متنوع است و خدمات سفارشی تولید تراشه را ارائه می‌دهد.
۴. شرکت گلوبال فاندریز (GlobalFoundries): این شرکت یکی از رقبای معتبر در صنعت تراشه‌سازی است و تراشه‌هایی برای بسیاری از برندها تولید می‌کند.
۵. شرکت اینتل (Intel Corporation): اینتل یکی از شرکت‌های پیشرو در طراحی و تولید تراشه‌های پردازنده برای کامپیوترها و سرورها است.
۶. شرکت کوالکام (Qualcomm Inc.): کوالکام به عنوان یکی از بزرگترین شرکت‌های تراشه‌سازی در زمینه تراشه‌های مخابراتی و موبایل شناخته می‌شود.
۷. شرکت میکرون تکنولوژی (Micron Technology Inc.): Micron به عنوان یکی از بزرگترین تولیدکنندگان حافظه‌های فلش و حافظه دینامیک تصادفی (DRAM) در جهان شناخته می‌شود.
۸. شرکت برادکام (Broadcom Inc.): کمپانی Broadcom تراشه‌های متنوعی را برای بخش‌های مختلفی از صنعت الکترونیک تولید می‌کند، از جمله تراشه‌های شبکه و اتصالات بی‌سیم.

تراشه های محاسباتی چیست و چه تفاوتی با تراشه های گرافیکی دارد

تراشه‌های محاسباتی (CPU) مهمترین قسمت‌های رایانه هستند و وظیفه اجرای عملیات کلان و متنوعی از برنامه‌ها و وظایف رایانه‌ای را دارند. آنها برای اجرای برنامه‌های کاربردی معمولی مانند سیستم‌عامل، نرم‌افزارهای اداری، و بسیاری از برنامه‌های کاربردی دیگر استفاده می‌شوند. CPU برای انجام محاسبات عمومی، منطقی، و کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در مقابل، تراشه‌های گرافیکی (GPU) به طور اصلی برای پردازش تصاویر و گرافیک‌های سه‌بعدی استفاده می‌شوند. آنها اختصاصاً برای شتاب‌دهی به عملیات گرافیکی و محاسباتی مرتبط با آنها طراحی شده‌اند. تفاوت اصلی میان CPU و GPU در این است که GPU قادر به انجام محاسبات همزمان در تعداد بسیار زیادی از هسته‌های موازی است، در حالی که CPU به تعداد معمولاً کمتری از هسته‌ها متمرکز است. این ویژگی‌های GPU آن را برای وظایف مرتبط با گرافیکی مانند بازی‌های رایانه‌ای و همچنین برنامه‌های محاسباتی موازی مانند یادگیری عمیق (Deep Learning) و مدل‌سازی علمی بسیار موثر می‌کند.

برترین سازندگان تراشه های گرافیکی

Nvidia، AMD و Intel به عنوان تولیدکنندگان اصلی پردازنده‌های گرافیکی (GPU) در صنعت شناخته می‌شوند. از این شرکت‌ها به عنوان نخبگان در زمینه طراحی و تولید تراشه‌های گرافیکی برای انواع کاربردها و دستگاه‌ها انتظار می‌رود. در میان تمام این GPU‌ها، بزرگترین پردازنده گرافیکی موجود در جهان با نام NVIDIA Ampere GA۱۰۰ به چشم می‌خورد. این GPU، به لحاظ اندازه و قدرت پردازشی بی‌نظیری شناخته می‌شود و در بسیاری از برنامه‌ها و کاربردهای پرسرعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. توسط NVIDIA توسعه داده شده، این پردازنده گرافیکی به عنوان یکی از پیشتازان در دنیای محاسبات و گرافیک شناخته می‌شود.

کدام شرکت تراشه های کنسول بازی را تولید می کند

شرکت AMD (مخفف Advanced Micro Devices)، که تاکنون تراشه‌هایی برای کنسول‌های بازی نظیر PS۴ و Xbox One تولید کرده است، در حال حاضر نیز تراشه‌هایی برای نسل جدید کنسول‌ها یعنی PS۵ و Xbox Series تولید و عرضه می‌کند. تمام این کنسول‌ها از پردازنده‌های هشت هسته‌ای Zen ۲ از AMD و پردازنده‌های گرافیکی سفارشی RDNA ۲ استفاده می‌کنند. در مورد PS۵، پردازنده AMD با فرکانس ۳.۵ گیگاهرتز عمل می‌کند، در حالی که در Xbox Series X، تراشه با فرکانس ۳.۸ گیگاهرتز کار می‌کند. (تاریخ: ۱۵ آبان ۱۳۹۹)