چرا جدایی رم و VRAM هزینهبر بود؟
در پیکربندیهای رایج با گرافیک مجزا، هستههای پردازنده مرکزی به رم سیستم از طریق گذرگاه PCIe متصل میشوند، در حالی که واحد پردازش گرافیکی به مخزن اختصاصی GDDR یا HBM خود دسترسی دارد. این جدایی فیزیکی، سیستم را مجبور به کپی صریح دادهها بین دو زیرسیستم میکند. ویرایش تایملاین ویدیوهای 4K، رندر گرافیک سهبعدی یا اجرای بازیهای سنگین، همگی مستلزم انتقال حجم عظیمی از اطلاعات از رم اصلی به حافظه گرافیکی هستند تا پردازنده تصویر بتواند روی آنها محاسبه انجام دهد.
این فرآیند کپیبرداری سه هزینه مشخص به همراه دارد:
- زمان: هر انتقال در گذرگاه PCIe تأخیر ایجاد میکند. تأخیر رفتوبرگشت معمولی PCIe در سیستمهای سنتی بین 4 تا 16 میکروثانیه است؛ تأخیری که در خطلولههای پردازشی و بازگشتی CPU-GPU به شدت چندبرابر میشود.
- انرژی: جابهجایی دادهها بر روی سیمکشیها و بوسها انرژی را مصرف میکند. سیستمهای مجزا علاوه بر ماژولهای حافظه و گذرگاههای جداگانه، به بودجه برق و سیستم خنککننده سنگینتری نیاز دارند.
- ظرفیت: دادههای مشابه همزمان در دو مکان مختلف قرار میگیرند. در لپتاپی که با 16 گیگابایت رم عرضه میشود، اگر 2 گیگابایت به گرافیک اختصاص یابد، تنها 14 گیگابایت برای اجرای سیستمعامل و نرمافزارها باقی میماند.
حتی در گرافیکهای مجتمع قدیمی نیز پارتیشنهای حافظه مجزا حفظ میشد و نتایج بین مخازن جابهجا میگردید. مرز معماری هرگز برداشته نشد، هر چند اجزا روی یک برد مشترک قرار داشتند.
معماری یکپارچه دقیقاً چگونه عمل میکند؟
معماری حافظه یکپارچه به طراحی سختافزاری اشاره دارد که در آن چندین واحد پردازشی از جمله هستههای CPU، هستههای GPU، موتورهای عصبی و رمزگذارهای چندرسانهای، بهجای تعریف زیرسیستمهای جداگانه، به یک مخزن واحد و پیوسته از حافظه با پهنای باند بالا دسترسی دارند. تمایز کلیدی در اینجا کاملاً فیزیکی است؛ در این معماری هیچ دیوار جداکنندهای بین مخازن وجود ندارد، بنابراین عملیات انتقال داده عملاً حذف میشود.
در پیادهسازی تراشههای اپل سیلیکون، ماژولهای حافظه در همان بسته سیستم روی یک تراشه و در مجاورت فیزیکی پردازنده قرار میگیرند. اگرچه ترکیب رم و پردازنده در گوشیهای هوشمند مرسوم بود، اما معرفی آن در مکبوکها و مکمینها نقطه عطفی در صنعت کامپیوتر محسوب شد. سازوکار این معماری بر سه پیکره اصلی استوار است:
- گذرگاه حافظه با پهنای باند بالا: فابریک حافظه اپل بر اساس مشخصات فنی، پهنای باندی از 68.25 گیگابایت بر ثانیه در مدل M1 تا 800 گیگابایت بر ثانیه در M2 Ultra ارائه میدهد.
- فابریک حافظه مدیریتشده توسط سختافزار: هستههای پرقدرت و کممصرف، کارت گرافیک و موتور عصبی همگی درخواستهای دسترسی به حافظه را مستقیماً به بستر LPDDR5 یا LPDDR5X ارسال میکنند.
- منطق انسجام کش: یک رابط سختافزاری مدیریت شده، درخواستها را اولویتبندی کرده و تمام واحدهای محاسباتی را با یک نمای واحد و بهروز از دادهها هماهنگ نگه میدارد، بدون اینکه نرمافزار درگیر مرحلهبندی دادهها شود.
نتیجه عملیاتی این طراحی که مهندسان به آن ویژگی کپیصفر میگویند، سرعت چشمگیر در فرآیندهای موازی است. هنگام ویرایش عکس RAW در نرمافزارهای تخصصی، هستههای CPU محاسبات رنگی را انجام میدهند و GPU عملیات بصری را شتاب میبخشد؛ هر دو واحد دقیقاً به یک آدرس حافظه دسترسی دارند. نیازی به جابهجایی بافرها یا رزرو مجدد بلوکهای حافظه نیست. تخصیص منابع کاملاً سیال میشود و هر بخش پردازشی در لحظه نیاز، از مخزن مشترک تغذیه میکند.
کجا حافظه گرافیکی مجزا دیگر انحصار ندارد؟
تولید محتوای خلاقانه و رندرهای سهبعدی واضحترین صحنههای آزمون این معماری محسوب میشوند. در خطوطلولههای ویرایش ویدیو، جابهجایی لایهها، افکتهای نوری و ترنزیشنها همیشه نیازمند دسترسی متقابل بین حافظه سیستم و گرافیک بود. با حذف این گلوگاه، برنامهنویسان میتوانند توابع محاسباتی را بهراحتی بین CPU و GPU توزیع کنند. نرمافزارهای خلاقانه بهطور ذاتی توانایی بهرهبرداری از این پهنای باند یکنواخت را پیدا کردهاند و در تستهای واقعی، بار پردازشی گرافیکی با تأخیر بسیار کمتری پردازش میشود.
البته گرافیکهای مجزا هنوز در پردازشهای رسترهایزینگ بسیار سنگین، بازیهای با رزولوشن 4K و محاسبات علمی مقیاسبزرگ جایگاه خود را حفظ کردهاند. تراشههای NVIDIA سری RTX و AMD سری Radeon با بهرهگیری از حافظه GDDR6X و HBM3، همچنان در پهنای باند خالص و تعداد هستههای تسریعگر پیشران بازار هستند. اما مرز میان این دو رویکرد در حال محو شدن است. شرکتهای بزرگ سختافزاری بهتدریج به سمت کنترل نرمافزاری حافظه و توزیع بار هوشمند بین واحدهای پردازشی حرکت میکنند.
آینده سختافزارهای مصرفی احتمالاً به سمت مخازن حافظه تعریفشده توسط نرمافزار پیش میرود؛ جایی که مرز میان پردازنده مرکزی و واحد گرافیکی از نظر فیزیکی کمرنگ میشود و بهرهوری انرژی در رأس اولویتها قرار میگیرد. اپل سیلیکون تنها آغازگر این تحول بود و سازندگان دیگر مجبورند با بازتعریف معماری تراشهها، پاسخ بهتری به نیازهای نسل بعدی کامپیوترهای همهکاره بدهند.
