ما المقصود برقاقة الكمبيوتر؟
رقاقة الكمبيوتر هي شريحة صغيرة من مادة شبه موصلة تحتوي على دائرة إلكترونية مدمجة. تتضمن هذه الرقاقة الملايين من المكونات الإلكترونية المجهرية تسمى ترانزستورات حيث تنقل هذه الترانزستورات إشارات البيانات. في البداية، كان حجم الرقائق كبيرًا، وكانت الحوسبة مجرد عملية يتم تنفيذها داخل المعامل الوطنية أو الجامعات أو الشركات الكبيرة. إلا أن الابتكارات المستمرة في تكنولوجيا رقائق الكمبيوتر قد أدى إلى تطوير معالجات عالية الأداء تستطيع تشغيل جميع أنواع التطبيقات المتقدمة الخاصة بالتحليلات والرسومات وتعلّم الآلة. ومع انخفاض حجم رقاقة الكمبيوتر، أصبح من الممكن صناعة أجهزة كمبيوتر أصغر في الحجم لتُستخدم في المنزل. واليوم، أصبحت رقاقة الكمبيوتر منتشرة في كل تفاصيل حياتنا؛ في كل شيء بدايةً من أفران الميكروويف وحتى فرش الأسنان.
كيف تُصنع رقائق الكمبيوتر؟
يتم تصنيع رقائق الكمبيوتر عادةً في مصانع تسمى محطات التصنيع أو معامل التصنيع. تُصنع تلك الرقائق من السيليكون، وهو عنصر كيميائي شائع يوجد في الرمال. عنصر السيليكون هو مادة نصف موصِّلة، بمعنى أن قدرة التوصيل الكهربائي له مشابهة لغيره من المعادن مثل النحاس والعوازل مثل الزجاج.
فيما يلي ملخص لعملية تصنيع الرقائق.
استخراج السيليكون وصبه
تُستخرج سبائك السيليكون أحادية البلورات عن طريق صهر الرمل وتكريره. تبلغ درجة نقاء السبائك نسبة 100% تقريبًا. يتم تقطيعها إلى رقائق نحيفة بعد تنظيفها وصقلها وتغليفها بطبقة من ثاني أكسيد السيليكون. تُضاف طبقة طلاء إضافية من مادة كيميائية تُعرف باسم المقاوم الضوئي فوق رقائق السيليكون لزيادة الحساسية للضوء. يتم اتخاذ احتياطات شديدة لضمان عدم تلوث الغبار أو الشوائب الأخرى أثناء هذه العملية. بعد أن تصبح رقائق السيليكون الأساسية جاهزة ، تُحفر الدوائر الإلكترونية عليها.
حفر الدوائر
تُغطى رقاقة السيليكون بألواح على شكل دوائر تُسمى القناع ويتم كشفها لتتعرض للأشعة فوق البنفسجية. يعمل الضوء على تقوية المادة المقاومة للضوء المكشوفة على نمط دائرة. ثم تعمل الغازات الساخنة على صهر المادة المكشوفة لتكشف عن ثاني أكسيد السيليكون الموجود تحتها. يُوضع منظر طبيعي ثلاثي الأبعاد بالخلف، ما يؤدي إلى تكرار نمط تصميم دائرة القناع.
في عملية تصنيع الرقائق، يكون الحفر عبارة عن إزالة كيميائية للطبقات من الشريحة، والإشابة (التطعيم) هي إدخال الشوائب لتعديل الشريحة. قد تتكرر عملية الحفر والإشابة مئات المرات على نفس رقاقة الكمبيوتر لإنشاء دوائر متكاملة أكثر دقة.
كيف تعمل رقائق الكمبيوتر؟
تعمل رقائق الكمبيوتر عن طريق إرسال إشارات كهربائية من خلال عناصر الدائرة الكهربائية.
الدوائر المتكاملة التناظرية
ترسل الدوائر التناظرية إشارات مستمرة ومتغيرة في فترة زمنية محددة. إشارة الخرج هي دالة خطية للمدخلات ذات الجهد الكهربائي (الفُولتية) المتناسب مباشرةً. يُستخدم هذا النوع من الدوائر المتكاملة لوظائف الأجهزة مثل أجهزة ضبط الوقت والمقارِنات ومنظِمات الجهد ومضخِمات التشغيل. كما تُستخدم الرقائق التناظرية في مولدات المسح والمذبذبات ومكبرات الصوت والمرشحات.
الدوائر المتكاملة الرقمية
ترسل الدوائر الرقمية إشارات متقطعة أو ثنائية. وقد يكون الجهد الكهربائي للخرج عاليًا ومنخفضًا. يمثل الجهد الكهربائي العالي القيمة المنطقية1، ويمثل الجهد الكهربائي المنخفض القيمة0.
تم تصميم الدوائر الرقمية لأداء عمليات منطقية مختلفة مثل AND وOR وNAND. على سبيل المثال، تتوافق العملية المنطقية ORمع عملية الجمع المنطقية وهي أساس عمليات الجمع في الكمبيوتر. لذا، تشكل الدوائر الرقمية المتكاملة أساس جميع عمليات الحوسبة. وهي ضرورية لجميع الأجهزة القابلة للبرمجة واللوحات الرئيسية ووحدات التحكم الدقيقة والذاكرة.
الدوائر المتكاملة مختلطة الإشارة
تجمع الرقائق المختلطة بين العناصر من الرقائق التناظرية والرقمية. وذلك لأن التصميم المختلط يتيح إمكانية الحصول على رقائق تعمل بمثابة محولات رقمية إلى تناظرية ومحولات تناظرية إلى رقمية. كما تمثل هذه الدوائر المتكاملة المتقدمة مكونًا أساسيًا آخر للحوسبة الحديثة.
الدوائر الكمومية
الدوائر الكمومية هي المرحلة التالية لتطور الحوسبة. الدائرة الكمومية هي نظام حوسبي يحدد سلسلة من العمليات الكمومية المنطقية على الكيوبتات أو وحدات البت الكمومية الأساسية. يتم تمثيل الكيوبتات بجسيمات كمومية تختلف عن الإشارات الرقمية المنطقية. أما الإشارات المنطقية فهي 1 أو 0، ولكن يمكن وضع الكيوبتات بمبدأ تراكب الدوال. تشكل الرقائق ذات الدوائر الكمومية أساس الحوسبة الكمومية، وهي تكنولوجيا مستجدة.
ما أنواع رقائق الكمبيوتر؟
يتم تصنيف رقائق الكمبيوتر إلى أربع فئات عامة وفقًا لأدائها الوظيفي.
رقائق الذاكرة
تخزِّن رقائق الذاكرة البرامج والبيانات على أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التخزين. توفر رقائق ذاكرة الوصول العشوائي تخزينًا مؤقتًا، بينما يمكن لمحركات الأقراص المحمولة ومحركات الأقراص الثابتة (SSD) الاحتفاظ بالمعلومات بشكل دائم. يمكن لوحدات الذاكرة المحمولة تخزين البيانات حتى عند فصل التيار الكهربائي.
الرقاقة المنطقية
تعمل الرقائق المنطقية أو المعالج بمعالجة البيانات لإنجاز المهام. فهي بمثابة الأدمغة للأجهزة الإلكترونية الحديثة. وحدات المعالجة المركزية هي النوع الرئيسي من الرقائق المنطقية الموجودة في المعالجات الدقيقة للخوادم وأجهزة الحوسبة الأخرى. ورغم ذلك يمكن أيضًا تصميم الرقائق المنطقية لأداء وظائف محددة. إليك بعض الأمثلة:
- صُممت وحدات معالجة الرسومات لتحسين العروض المرئية
- صُممت وحدات المعالجة العصبية لتطبيقات التعليم العميق وتعلّم الآلة
ASICs
صُممت رقائق الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) لأداء إجراءات المعالجة المتكررة لتطبيقات معينة. ويتم إنتاج هذه الرقائق الحديثة على دفعات كبيرة للأجهزة المخصصة لغرض واحد مثل الماسحات الضوئية للباركود. مثال آخر هو تعدين البيتكوين، حيث تعمل رقائق الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) على تنفيذ العمليات الرياضية المعقدة المطلوبة لإنتاج عملات البيتكوين الجديدة.
SoCs
النظام الموجود على رقاقة (SoC) هو نوع أحدث من الشرائح. جميع المكونات الإلكترونية اللازمة لنظام كامل يتم تركيبها في شريحة واحدة. كما أن قدرات النظام الموجود على رقاقة (SoC) أكثر شمولًا من وحدات التحكم الدقيقة. تجمع وحدة التحكم الدقيقة عامةً بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة ومعالجة الإدخال/ الإخراج. ورغم ذلك، قد يدمج النظام الموجود على رقاقة (SoC) معالجة الرسومات والصوت والكاميرا والفيديو.
كيف تساهم AWS في ابتكار رقائق الكمبيوتر؟
لقد أمضت Amazon Web Services (AWS) سنوات في تصميم رقائق كمبيوتر مخصصة ومحسَّنة للسحابة. ونتيجة لذلك، توفر سحابة الحوسبة المرنة لـ Amazon (Amazon EC2) مثيلات مدعومة بمعالجات من تصميم AWS تم تحسينها لمجموعة من أعباء العمل التي تستهلك قدرًا كبيرًا من الحوسبة والذاكرة والتخزين. توفر Amazon EC2 أيضًا رقائق تعلّم الآلة المصممة لغرض معين خاص بالتدريب والاستدلال في تعلّم الآلة.
فيما يلي بعض ابتكارات AWS الأخرى:
- AWS Nitro System هو النظام الأساسي للجيل القادم من مثيلات Amazon EC2. يساعدنا ذلك على سرعة الابتكار، وتقليل مزيد من التكاليف لعملائنا، وتقديم مزايا إضافية مثل مستوى الأمان الكبير وأنواع المثيلات الجديدة.
- تقدم معالجات AWS Graviton أفضل أداء من حيث السعر لتطبيقاتك. تقدم المثيلات المستندة إلى AWS Graviton أداءً أفضل من حيث السعر بنسبة تصل إلى 40% مقارنةً بالمثيلات المستندة إلى x86.
- تم تصميم مسرّعات AWS Inferentia لتوفير أداء عالٍ بأقل تكلفة لتطبيقات الاستدلال في التعليم العميق.
- رقائق تعلّم الآلة من AWS Trainium مصممة لتوفير أفضل أداء من حيث السعر لتدريب نماذج التعليم العميق في السحابة.
ابدأ في استخدام مثيلات AWS المدعومة برقائق كمبيوتر مخصصة عن طريق إنشاء حساب مجاني اليوم.
