معيار تصميم جديد قد يقلب صناعة الرقائق الإلكترونية رأساً على عقب

مع ذلك، لا تفهم أنصاف النواقل المصنوعة من السيليكون والموجودة في الحواسيب الكلمات مثل "for" أو الرموز مثل "=". حتى تتمكن رقاقة إلكترونية من تنفيذ رمز برمجي مكتوب بلغة بايثون على سبيل المثال، يجب أن تُترجم البرمجيات هذه الكلمات والرموز إلى تعليمات تستطيع الرقاقة استخدامها.

يخصص المهندسون سلاسل ثنائية محددة لمساعدة الأجهزة الصلبة على تنفيذ إجراءات معينة. على سبيل المثال، قد يحتوي الرمز "100000" على تعليمات تخص جمع رقمين، بينما يمكن استخدام الرمز "100100" لنسخ قطعة من البيانات. تشكّل هذه السلاسل الثنائية المفردات الأساسية التي تستخدمها الرقائق الإلكترونية، وهي تحمل اسم مجموعة تعليمات الحاسوب.

اقرأ أيضاً: كيف أثّرت أزمة الرقائق الإلكترونية على صناعة السيارات؟

لسنوات، اعتمد قطاع الرقائق الإلكترونية على مجموعة متنوعة من مجموعات التعليمات المحمية بحقوق الملكية. يهيمن نوعان من مجموعات التعليمات على السوق حالياً، وهما مجموعة إكس 86، والتي تستخدمها شركتا إنتل (Intel) وأيه إم دي (AMD)، ومجموعة آرم (Arm) التي طوّرتها شركة تحمل الاسم نفسه. يجب أن ترخّص الشركات مجموعات التعليمات هذه، وهي عملية قد تكلف ملايين الدولارات لكل إصدار منها. ونظراً لأن الرقائق التي تعمل باستخدام مجموعتي إكس 86 وآرم تعمل وفق لغتين مختلفتين، يجب على مطوري البرمجيات تصميم نسخ مختلفة من برامجهم تتوافق مع كل مجموعة من مجموعات البيانات.

مع ذلك، بدأت مؤخراً العديد من شركات الأجهزة الصلبة والبرمجيات حول العالم بالاتفاق على مجموعة تعليمات متاحة للجمهور تحمل اسم مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة (RISC-V، أو آر آي إس سي-في اختصاراً). يمكن أن يؤدي هذا التحول إلى تغيير هائل في قطاع الرقائق الإلكترونية. يقول مؤيدو مجموعة التعليمات هذه إنها ستجعل تصميم رقائق الحاسوب أكثر سهولة بالنسبة للشركات الصغيرة ورواد الأعمال الناشئين من خلال تحريرهم من رسوم الترخيص مرتفعة التكلفة.

يقول الرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في منظمة آر آي إس سي-في إنترناشيونال (RISC-V International)، وهي منظمة غير ربحية تدعم تكنولوجيا مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة، مارك هيملشتاين (Mark Himelstein): "هناك بالفعل مليارات النوى التي تعتمد على مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة، وهي تُستخدم في مختلف المنتجات من سماعات الأذن إلى الخوادم السحابية".

في شهر فبراير/ شباط 2022، خصصت شركة إنتل مبلغاً قدره مليار دولار لتطوير الأنظمة الحاسوبية المعتمدة على مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة، إلى جانب العمل على أولويات أخرى. على الرغم من أن هيملشتاين يتوقع أن الاستخدام واسع النطاق للرقائق التي تعتمد على هذه التكنولوجيا في الحواسيب المحمولة سيستغرق بضع سنوات، أصبح أول حاسوب يعتمد على التعليمات المختزلة، وهو حاسوب روما (Roma) الذي طورته شركتا إكس كاليبايت (Xcalibyte) وديب كومبيوتنغ (DeepComputing)، متوفراً للطلب المسبق في يونيو/حزيران 2022.

اقرأ أيضاً: الفساد يحدث هزات كبيرة في صناعة الرقائق الإلكترونية الصينية

ما مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة؟

يمكنك التفكير بمجموعة التعليمات المختزلة الخامسة (والتي يلفظ اسمها "ريسك فايف" اختصاراً) كمجموعة من معايير التصميم، مثل تكنولوجيا بلوتوث أو الرقائق الحاسوبية. تنتمي هذه المجموعة من التعليمات إلى فئة من المعايير تحمل اسم المعايير المفتوحة. وتعني كلمة "مفتوحة" أن أي شخص أو كيان يستطيع المشاركة في تطوير هذه المعايير. بالإضافة إلى ذلك، يستطيع أي شخص تصميم رقائق حاسوبية تعتمد على مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة، ويمكن استخدام هذه الرقائق عندها لتنفيذ أي برنامج تم تصميمه ليتوافق مع مجموعة التعليمات هذه. (يجدر الذكر أن التكنولوجيات المعتمدة على المعايير المفتوحة تختلف عن التكنولوجيا ذات المصادر المفتوحة. يشير المعيار المفتوح عادة إلى مواصفات التكنولوجيا، بينما تشير عبارة المصدر المفتوح عموماً إلى البرامج التي تكون رموزها البرمجية متوفرة بالمجان للاطلاع والاستخدام).

طوّرت مجموعة من علماء الحاسوب في جامعة كاليفورنيا في بيركلي الأسس النظرية التي تعتمد عليها تكنولوجيا التعليمات المختزلة الخامسة في عام 2010 لاستخدامها كأداة تعليمية في تصميم الرقائق الإلكترونية. كانت وحدات المعاجلة المركزية الخاضعة لحقوق الملكية أكثر تعقيداً من أن يتمكن الطلاب من التعلم باستخدامها.

قام مطورو مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة بتوفير هذه التعليمات للعوام، وسرعان ما لاحظو أن هناك الكثير من الأسئلة المتعلقة بها والتي عليهم الإجابة عنها. بحلول عام 2015، أسست مجموعة من الشركات والمؤسسات الأكاديمية، بما في ذلك شركات مثل جوجل (Google) وآي بي إم (IBM)، منظّمة آر آي إس سي-في إنترناشيونال (RISC-V International) لتوحيد مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة.

تتألف النسخة الأكثر أساسية من مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة من 47 تعليمة فقط، مثل التعليمات التي تنص على تحميل رقم من الذاكرة أو جمع الأرقام. مع ذلك، تحتوي مجموعة التعليمات هذه على المزيد من التعليمات التي تحمل اسم الامتدادات، والتي تُمكّن المطورين من إضافة المزيد من الميزات مثل رياضيات الأشعة التي تستخدم في تشغيل خوارزميات الذكاء الاصطناعي.

اقرأ أيضاً: 10 من أبرز الشركات العاملة في إنتاج شرائح الذكاء الاصطناعي وتطويرها

يمكننا باستخدام تكنولوجيا مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة تصميم مجموعة التعليمات الخاصة بالرقائق الإلكترونية بالطريقة التي توافق احتياجاتنا، وهو أمر يقول الباحث في معهد آميك للأبحاث في بلجيكا (Imec)، والذي يركّز على الإلكترونيات النانوية، إريك ميدريش (Eric Mejdrich) إنه "يمنحنا الحرية في تصميم أجهزة صلبة مخصصة للتطبيقات العملية".

سابقاً، كانت الشركات التي تريد تصميم وحدات المعالجة المركزية تشتري الرقائق الجاهزة لأن تصميمها مكلف للغاية ومستهلك للوقت. احتوت هذه الرقائق عادة، وخصوصاً تلك المستخدمة في الأجهزة البسيطة من المنبهات ومعدات المطبخ، على ميزات إضافية من المحتمل أن تتسبب في إبطاء أداء الأجهزة أو هدر الطاقة.

يعتبر هيملشتاين أن تجربة شركة بلو ترام (Bluetrum)، وهي شركة مقرها الصين تصنع سماعات الأذن، هي مثال نموذجي على التجارب الناجحة المتعلقة باستخدام تكنولوجيا التعليمات المختزلة الخامسة. لا يتطلب عمل سماعات الأذن الكثير من العمليات الحوسبية. ولاحظ خبراء هذه الشركة أنهم يستطيعون تصميم رقائق بسيطة تتوافق مع مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة. يقول هيملشتاين: "لو لم تستخدم هذه الشركة مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة، فكان على خبرائها إما شراء رقائق تجارية تتمتع [بأداء] أعلى بكثير من حاجتهم، أو تصميم رقاقة أو مجموعة تعليمات خاصة بهم"، ويضيف: "لم ترغب هذه الشركة باتباع أي من هذين الخيارين".

يقول ميدريش إن تكنولوجيا التعليمات المختزلة الخامسة "تسهّل عملية" تصميم الرقائق الإلكترونية. يقوم مؤيدو هذه التكنولوجيا بإجراء ورش عمل متاحة للجميع حول تصميم وحدات المعالجة المركزية بناءً على مجموعة التعليمات المختزلة الخامسة. ويستطيع الأشخاص الذين يصممون الرقائق الإلكترونية المعتمدة على هذه التعليمات تقديم تصاميمهم ليتم تطبيقها لتصنيع الرقائق بالمجان من خلال شراكة بين شركة جوجل وشركة تصنيع أشباه الموصلات سكاي واتر (SkyWater) ومنصة إيفا بليس (Efabless) المتخصصة في تصميم الرقائق.