کالبدشکافی پردازنده Apple A4؛ سفر به اعماق مغز متفکر آیپد نسل اول

ریزپردازنده Apple A4 دقیقا همون قطعه‌ایه که فرماندهی کل آیپد رو بر عهده داره. این تراشه یه پردازنده مبتنی بر معماری ARM هست که با استفاده از تکنولوژی Package-on-Package (PoP) مونتاژ شده. این نوع طراحی باعث می‌شه سرعت پردازش داخلی بالاتر بره و فضای کمتری روی مادربرد اشغال بشه.

روی سطح پردازنده این عبارت‌ها چاپ شده: N26CGM0T APL0398 339S0084 YNL215X0. خب، راستش رو بخوای این اعداد برای ما هم خیلی جذاب نیستن و اطلاعات خاصی بهمون نمی‌دن. پس بیا بریم داخلش رو ببینیم!

اون قدیما که اولین آیفون معرفی شد، ما با کمک چند تا از دوستامون تو سیلیکون‌ولی سعی کردیم پردازنده‌اش رو بشکافیم. تجهیزاتی که اون موقع داشتیم اصلا به خفنی دستگاه‌های امروزی آزمایشگاه Chipworks نبود، اما کارمون رو راه انداخت.

چیزی که تو عکس می‌بینی یه ویفر سیلیکونیه. هر کدوم از اون مربع‌های کوچیک، یه چیپ یا به اصطلاح Die هستن. Die اصلی پردازنده A4 ابعادی حدود 7.3 در 7.3 میلی‌متر داره که مساحت کلش رو به 53 میلی‌متر مربع می‌رسونه. به درصد چیپ‌های سالمی که از یه ویفر این‌شکلی به دست میاد، اصطلاحا "بازده" (Yield) می‌گن.

جالبه بدونی A4 فقط یه پردازنده ساده نیست؛ این قطعه در واقع یه پکیج روی پکیج (PoP) هست. یعنی وقتی بازش می‌کنی، می‌بینی که سه تا قطعه سیلیکونی (Die) مجزا تو دل همین تراشه جا خوش کردن!

اینم یه عکس نوستالژی از سرگروه ما که داره خودش رو برای ورود به اتاق تمیز (Cleanroom) آماده می‌کنه تا جراحی سیلیکونی روی آیفون نسل اول رو شروع کنه.

برای اینکه بتونی یه پردازنده رو زیر میکروسکوپ ببری، اول از همه باید از روی مادربرد اصلی جداش کنی. برای برداشتن آیسی از روی برد فقط دو راه وجود داره: استفاده از نیروی فیزیکی شدید یا حرارت خیلی بالا. می‌تونی حدس بزنی ما از کدوم روش استفاده کردیم؟

بعد از جدا کردن پردازنده، باید اون رو از وسط برش بدیم تا بتونیم یه عکس مقطعی (Cross-section) از لایه‌های داخلیش بگیریم. برای این کار نمی‌شه از اره نواری یا ابزارهای خشن استفاده کرد؛ بلکه باید پردازنده رو به آرومی و با دقت میلی‌متری سنباده بزنیم تا لایه‌لایه از مواد روییش برداشته بشه.

حالا متوجه می‌شی که چرا گرفتن یه عکس واضح از سطح مقطع تراشه اینقدر سخته. با اینکه این پردازنده یکی از بزرگترین قطعات داخل دستگاهه، اما کار کردن باهاش به شدت ظرافت می‌خواد. حالا تصور کن بخوای همین کار رو با یه تراشه که یک‌دهم این سایز رو داره انجام بدی!

شاید بپرسی منظورمون از "پکیج" دقیقا چیه؟ خب، عکسی که می‌بینی دقیقا همونه. این یه برش مقطعی از ترکیب پردازنده ARM و حافظه رم (RAM) هست که تو دستگاه استفاده شده.

اون مستطیل وسطی، خود پردازنده‌ست. دایره‌های نقره‌ای رنگی که زیرش ردیف شدن، همون پایه‌های لحیم (Solder balls) هستن که پردازنده رو به برد وصل می‌کنن.

دو تا مستطیلی که بالای پردازنده قرار دارن، در واقع چیپ‌های حافظه رم هستن. این دو تا یه کم نسبت به هم جابه‌جا شدن تا فضای کافی برای سیم‌های ارتباطی ظریف (Wirebonds) فراهم بشه (البته تو این عکس سیم‌ها مشخص نیستن).

قرار دادن رم تا این حد نزدیک به پردازنده، دو تا مزیت بزرگ داره: اول اینکه تاخیر تو انتقال اطلاعات رو کم می‌کنه (سرعت دسترسی به رم بالا می‌ره) و دوم اینکه مصرف انرژی رو به شدت کاهش می‌ده تا باتری دستگاه بیشتر دوام بیاره.

اینجا میز کار یکی از دوستانمونه. ما تو تیم آیسی‌مدار عاشق اینجور ابزارهای تخصصی هستیم. اینا دقیقا همون ابزارهایی هستن که اگه یه مهندس خلاق دستش بهشون برسه، غوغا می‌کنه... هرچند که شاید یه نفر پیدا بشه و بخواد فقط با یه گیره کاغذ و نوارچسب پردازنده رو باز کنه!

این یه نمای کلی از یه اتاق تمیز (Cleanroom) استاندارده. آدم‌های متخصصی که شاید تو خیابون از کنارت رد بشن، هر روز لباس‌های مخصوص می‌پوشن و تو همچین محیطی کار می‌کنن. تو این اتاق‌ها، دور نگه داشتن گرد و غبار، پرز و حتی یه تار مو از قطعات، از نون شب هم واجب‌تره. بعضی از تجهیزات خفن این اتاق‌ها عبارتند از:

← میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM).

← دستگاه‌های تصویربرداری اشعه ایکس (X-ray) با رزولوشن فوق‌العاده بالا.

← ذره‌بین‌های غول‌پیکر و میکروسکوپ‌های نوری دقیق.

← و کلی ابزار عجیب‌وغریب دیگه که آدم رو یاد آزمایشگاه‌های فیلم‌های جاسوسی می‌ندازه!

ای کاش حل کردن همه خطرات ایمنی کار، به همین سادگی بود که با یه برچسب همه‌چیز رو کنترل کنیم!

مجموعه Chipworks تو ایالت انتاریو قرار داره؛ جایی که هوا اونقدر سرد می‌شه که اگه حواست نباشه، لاستیک‌های ماشینت ترک می‌خورن!

تجهیزاتی که تو این آزمایشگاه وجود داره، با چیزی که تو خطوط تولید معمولی نیمه‌هادی‌ها می‌بینی کاملا متفاوته. هر دستگاهی که اینجا روشن می‌شه، فقط یه هدف داره: کشف کردن رازهای پنهان تو دل جدیدترین تراشه‌های دنیا.

آنالیز با میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی. این تجهیزات اصلا شبیه اون میکروسکوپ‌های ساده‌ای که تو آزمایشگاه زیست‌شناسی مدرسه‌ها دیدی نیستن. تو این صنعت همه‌چیز به دقت بستگی داره و آزمایشگاه Chipworks به دقت فوق‌العاده‌اش معروفه.

اینم یه تصویر از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در حال کار. این فقط یکی از برگ‌برنده‌های این آزمایشگاهه. دستگاه SEM می‌تونه جزئیات رو صدها برابر دقیق‌تر از بهترین میکروسکوپ‌های نوری نشون بده.

مرحله بعد، تراش دادن و سنباده زدن سطح پردازنده‌ست. تراز نگه‌داشتن دقیق قطعه موقع سایش، حیاتی‌ترین بخش این کاره. این فرآیند به شدت زمان‌بر و طاقت‌فرساست. اینکه بتونی قطعه رو تا یه ضخامت خیلی خاص سنباده بزنی و در عین حال سطحش کاملا صاف بمونه تا بشه ازش عکس گرفت، واقعا یه هنره.

راستش ما تو تیم خودمون مهارت کافی برای این کار رو نداشتیم؛ به همین خاطر آیپدمون رو فرستادیم به این آزمایشگاه تخصصی تا کار رو در بیارن.

قدم بعدی، برداشتن لایه محافظ بیرونی تراشه‌ست. فکر می‌کنی وقت چای خوردنه؟ نه! الان وقت حموم اسید برای پردازنده‌ست. با غوطه‌ور کردن پردازنده تو اسید، لایه سرامیکی که سیلیکون رو پوشونده حل می‌شه. انتخاب غلظت دقیق اسید بر اساس نوع سرامیک، به شدت مهمه تا خود سیلیکون آسیب نبینه.

گاهی اوقات وقتی با میکروسکوپ به سطح این چیپ‌ها نگاه می‌کنی، سورپرایزهای جالبی پیدا می‌شه که طراح‌ها برای سرگرمی اونجا حک کردن. هرچند تو پردازنده آیپد شکلک خاصی پیدا نشد، اما قبلا تو تراشه‌های Silicon Image چیزای جالبی دیده شده بود!

خب، تا اینجا فهمیدیم که فرآیند باز کردن چیپ چطوریه. اما بریم ببینیم داخل خود A4 دقیقا چه شکلیه. تو این عکس‌ها، نمای بالا و پایین پکیج A4 رو می‌بینی.

اون نقطه‌های ریزی که زیر پردازنده ردیف شدن، پایه‌های لحیم هستن که آیسی رو به مادربرد متصل می‌کنن. تمام جریان برق، اتصالات زمین و دیتایی که بین پردازنده و برد جابه‌جا می‌شه، از طریق همین پایه‌ها عبور می‌کنه.

قبل از اینکه تراشه رو کاملا کالبدشکافی کنیم، یه عکس اشعه ایکس (X-ray) ازش گرفته شده تا درک بهتری از چیدمان داخلیش داشته باشیم.

اگه با دقت نگاه کنی، صدها سیم ظریف (Wirebond) رو می‌بینی که مثل نخ به هم وصل شدن و وظیفه‌شون انتقال سیگنال‌های الکترونیکی بین چیپ‌های داخلیه.

تراشه A4 از سه لایه تشکیل شده: دو لایه مربوط به حافظه رم (ساخت سامسونگ با مدل K4X1G323PE) و یه لایه که خود ریزپردازنده اصلی توش قرار داره.

این سبک طراحی PoP (پکیج روی پکیج) به اپل این آزادی عمل رو می‌ده که بتونه حافظه رم رو از هر شرکتی که دلش خواست تامین کنه و فقط وابسته به سامسونگ نباشه.

اینجا دو تا نمای اشعه ایکس از پهلوی پردازنده A4 رو داریم. نقاط تیره‌ای که در طول پردازنده می‌بینی، همون پایه‌های لحیمی هستن که چیپ‌های داخلی رو به هم متصل می‌کنن. تو صنعت به این سبک طراحی Ball Grid Arrays یا به اختصار BGA می‌گن.

این عکس‌ها تو دو تا نقطه کانونی مختلف از عرض پردازنده گرفته شدن؛ چون ثبتشون سریع بوده، اگه یکم تار به نظر می‌رسن، عذرخواهی ما رو بپذیر.

حافظه DRAM استفاده شده تو این تراشه ساخت سامسونگه، به همین دلیل سیم‌های ارتباطی (Wirebonds) از هر دو طرف کشیده شدن؛ چیزی که تو ماژول‌های رم شرکت‌های دیگه کمتر می‌بینیم.

این تصویر مربوط به هشتمین لایه فلزی روی چیپ اصلیه. تا قبل از این، هر پردازنده آیفونی که کالبدشکافی کرده بودیم، یه شماره قطعه از سامسونگ روش حک شده بود. اما تو بررسی A4، هیچ نشونه‌ای از سامسونگ روی خود پردازنده (به جز بخش رم) پیدا نکردیم. این واضح‌ترین دلیله که نشون می‌ده اپل طراحی تراشه‌هاش رو کاملا به دست گرفته.

ما انتظار نداشتیم لوگوی شرکت Semi (که اپل اون زمان تازه خریده بود) رو اینجا ببینیم، اما منطقیه فرض کنیم که مهندس‌های این شرکت نقش پررنگی تو طراحی این تراشه خفن داشتن.

این همون حافظه SDRAM جاسازی شده داخل پردازنده A4 هست. بله، اون لوگوی سامسونگه! اما نه، معنیش این نیست که کل پردازنده رو سامسونگ طراحی کرده؛ بلکه فقط وظیفه تامین رم رو بر عهده داشته. اینجا دو تا چیپ حافظه 1Gb از نوع DDR SDRAM موبایلی ساخت سامسونگ داریم. شماره قطعه‌ای که روی هر کدوم حک شده K4X1G323PE هست.

با بررسی این شماره قطعه متوجه می‌شیم که ظرفیت هر چیپ حدود 128 مگابایته که تو مجموع، 256 مگابایت حافظه رم رو برای این دستگاه فراهم می‌کنن.

حالا که کل دل و روده این تراشه رو دیدیم، چه نتیجه‌ای می‌تونیم بگیریم؟ راستش تغییر خیلی انقلابی و عجیبی رخ نداده. پردازنده A4 از نظر ساختار، خیلی شبیه به همون پردازنده‌های سامسونگیه که اپل تو آیفون‌ها استفاده می‌کرد.

بررسی‌های سخت‌افزاری کاملا نشون می‌ده که این یه پردازنده تک هسته‌ایه. پس این همون معماری ARM Cortex A8 هست و شایعاتی که می‌گفتن از پردازنده چند هسته‌ای A9 استفاده شده، کاملا غلطه.

تشخیص دقیق معماری پردازنده گرافیکی (GPU) از روی عکس‌های سیلیکونی کار به شدت سختیه؛ به همین خاطر سراغ بنچمارک‌های نرم‌افزاری رفتیم. نتایج اولیه نشون می‌ده عملکرد سه‌بعدی این آیپد شبیه آیفونه، پس احتمالا از همون پردازنده گرافیکی PowerVR SGX 535 استفاده شده. ظرفیت رم آیپد هم دقیقا مثل آیفون، همون 256 مگابایته.

تراشه A4 تو مصرف انرژی به شدت خسیسه! دلیل اصلی اینکه اپل سرعت پردازش رو نسبت به آیفون خیلی بالا نبرده، دقیقا همینه. برای اینکه باتری بتونه 10 ساعت دوام بیاره، کل آیپد (حتی با اون نمایشگر بزرگ) باید به طور میانگین کمتر از 2.5 وات برق مصرف کنه. خب، پرونده پردازنده A4 اینجا بسته می‌شه. حالا بیا یه نگاه سریع به بقیه آیسی‌های روی مادربرد آیپد بندازیم.

آیسی کنترلر تاچ‌اسکرین خازنی. مدل Broadcom BCM5974.

میکروکنترلر ورودی/خروجی برودکام مجهز به حافظه NVM (که تو بخش تاچ کاربرد داره). مدل Broadcom BCM5973KFBGH HS0951P11 952280 B1. و آیسی Apple 343S0446.

آیسی راه‌انداز خطوط تاچ‌اسکرین ساخت Texas Instruments. با شماره قطعه CD3240A 01D5AKT G1.

ماژول ترکیبی برودکام برای شبکه‌های وای‌فای (802.11a/b/g/n)، بلوتوث 2.1 و رادیو FM. مدل Broadcom BCM4329XKUBG CD1004 P21.

تراشه‌ای از شرکت Cirrus Logic که به احتمال زیاد همون پردازنده صوتی (Audio Codec) دستگاهه. شماره قطعه: Apple 338S0589 B0 YFSAB0PY1001.

آیسی مدیریت تغذیه (Power Management). مدل S6T2MLC N2266XQT U1003 A1.

تراشه Mux/Demux برای مدیریت مسیرهای ارتباطی DisplayPort و PCIe. ساخت NXP با شماره مدل L0614 01 37 ZSD950.

درایور نمایشگر دستگاه. ساخت ال‌جی با مدل LG SW0627B 01SWL-0032C 1003 N23977ON.

تراشه Apple 338S0805 A2 e1 10028HBB.

تراشه شتاب‌سنج (که از طریق بررسی کدهای روی سیلیکون تایید شده) مدل STM-LIS331DLH. ساخت STMicroelectronics با کدهای 2949 33DH OK2 CL.

آیسی رگولاتور DC-DC. ساخت Linear Technologies مدل 3442 N7667 LT9L.

آیسی Intersil i976 45AIRZ F95OHX.

خب، این بود تمام داستان جراحی میکروسکوپی ما روی تراشه A4 اپل! به لطف تجهیزات پیشرفته تونستیم لایه‌های پنهان این پردازنده رو از نزدیک ببینیم و معماری مهندسی اپل رو کالبدشکافی کنیم.

این پروژه بدون کمک و تجهیزات خفن تیم متخصص آزمایشگاهی امکان‌پذیر نبود و حسابی ازشون ممنونیم که تو این ماجراجویی فنی همراهمون بودن.

امیدوارم از این گشت‌وگذار تو دنیای سیلیکون‌ها لذت برده باشی. یادت نره این مقاله خاص رو با دوستای عشق سخت‌افزارت هم به اشتراک بذاری تا اونا هم ببینن زیر اون پکیج‌های مشکی روی مادربرد چه خبره. موفق باشی!