تاريخ معالجات AMD: من المصدر الثاني إلى الشرائح المركّبة

لعقود طويلة كان اسم واحد يتبادر إلى ذهن كثير من الناس عند سماع "معالج الحاسوب الشخصي": Intel. لكن قصة x86 لا تخص شركة واحدة. بدأت Advanced Micro Devices، أو AMD، شركة صغيرة تصنع الرقائق لصالح شركات أخرى، وقضت عقودًا في ظل منافس أكبر، وفازت في عدة معارك قانونية وتصميمية، وفي أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين أعادت بناء نفسها حول بنية Zen وأسلوب تصنيع يعتمد على الشرائح المركّبة (Chiplets). تتتبع هذه المقالة الرحلة من التأسيس عام 1969 حتى المعالجات المستخدمة اليوم في أجهزة الألعاب والخوادم وأجهزة الألعاب المنزلية.

1969: التأسيس في وادي السيليكون

تأسست AMD عام 1969 في مدينة Sunnyvale بولاية كاليفورنيا على يد Jerry Sanders ومجموعة من المهندسين والبائعين الذين عملوا سابقًا في Fairchild Semiconductor، وهي الشركة التي ساعدت في تطوير الدارة المتكاملة قبل سنوات قليلة. في سنواتها الأولى صنعت الشركة شرائح منطقية وذاكرة، كثير منها مبني على تصاميم وضعتها شركات أخرى. وأجبرها التنافس مع الموردين الكبار على التركيز على السعر وسرعة التسليم، وهي عادة بقيت مع الشركة لعقود.

عصر المصدر الثاني

في السبعينيات لم ترغب الشركات الإلكترونية الكبرى في الاعتماد على مورد واحد لشريحة مهمة. فإذا نفد المورد أو رفع أسعاره، قد تتوقف خط منتجات كامل. لذلك استخدمت الصناعة نظام المصدر الثاني: تصمم شركة الشريحة، وتحصل شركة أخرى على ترخيص لصنع الشريحة نفسها حتى يكون للعملاء خيار بديل. وأصبحت AMD واحدة من أهم الجهات المصدّرة الثانية في هذا المجال.

في عام 1975 بدأت AMD بإنتاج نسخة من المعالج Intel 8080 باسم Am9080. كانت لها الأطراف نفسها وسلوك مكافئ، لذلك أمكن لنظام صُمم للمعالج 8080 أن يستخدم شريحة AMD دون تغيير في لوحة الدوائر. وقد وفّر هذا العمل إيرادات ثابتة وخبرة تصنيعية في وقت لم يكن لدى الشركة فيه تصميم معالج خاص بها.

حاسوب IBM PC وعائلة 8086

جاءت Intel 8086 عام 1978 ثم 8088 الأرخص بعدها، لتصبحا أساس بنية x86. وعندما اختارت IBM المعالج 8088 لحاسوبها الشخصي عام 1981، أرادت أيضًا مصدرًا ثانيًا لحماية إمداداتها. لذلك منحت Intel تراخيص تصميماتها لشركات أخرى، وكانت AMD من بينها. وضع ذلك AMD في قلب صناعة الحواسيب الشخصية، لأن حاسوب IBM PC أصبح النموذج لصناعة كاملة من الأجهزة المتوافقة.

غير أن التراخيص كانت محدودة. فقد احتفظت Intel بالسيطرة على التصميم، وحددت الاتفاقيات الشرائح التي يمكن لـ AMD صنعها وشروط ذلك. وظل هذا التوتر قائمًا لسنوات: احتاجت AMD إلى التراخيص لتنمو، بينما أرادت Intel الحفاظ على سيطرتها على البنية التي تحقق أكبر قدر من الربح.

نزاعات 286 و386

في عام 1982 قدمت Intel المعالج 80286، وهو معالج بحجم 16 بت مع إدارة ذاكرة محسّنة. حصلت AMD على ترخيص وصنعت نسختها الخاصة Am286. لكن الاتفاقية تضمنت بنودًا تتعلق باستخدام الميكروكود، وهو التعليمات منخفضة المستوى التي تخبر المعالج بكيفية تنفيذ عملياته، واختلف الطرفان حول تلك البنود لسنوات.

كان معالج Intel 386 عام 1985 بحجم 32 بت، وأصبح أساس برمجيات الحواسيب الشخصية الحديثة. وأنتجت AMD في النهاية نسختها Am386 بعد مفاوضات طويلة وإجراءات قانونية شملت التقاضي والتحكيم. وأنفق الطرفان مبالغ كبيرة على الرسوم القانونية. وكانت النتيجة تسوية لتبادل التراخيص حددت أي التصاميم تُعد عملًا مستقلًا، وأيها يبقى تحت حقوق المالك الأصلي.

وكان الدرس الذي استخلصته AMD من تلك السنوات أن الملكية الفكرية في صميم صناعة الرقائق. فالشركة التي لا تملك تصاميمها الأساسية ستبقى دائمًا معرضة للخطر.

الجيل 486 والبحث عن هوية

دمج معالج Intel 80486 عام 1989 المعالج ووحدة الفاصلة العائمة وذاكرة التخزين المؤقت (Cache) في شريحة واحدة. كان أسرع بوضوح من 386 وأصبح المعيار لأجهزة سطح المكتب عالية الأداء في أوائل التسعينيات. وأنتجت AMD نسخها المتوافقة من 486، ونمت مبيعاتها مع توسع سوق الحواسيب الشخصية. أراد العملاء أجهزة أسرع بأسعار أقل، فقدمت AMD بديلًا أعجب كثيرًا من مجمّعي الأنظمة.

K5: أول معالج x86 مصمم داخليًا بالكامل

في عام 1996 أطلقت AMD المعالج K5، وهو أول معالج x86 تصمّمه الشركة بالكامل داخليًا. قبل ذلك كانت AMD تعتمد بدرجة كبيرة على تصاميم مرخّصة وعلى الهندسة العكسية لمنتجات Intel. أثبت K5 أن مهندسي AMD قادرون على إنتاج شريحة تنافسية من بنيتهم الخاصة. ولم يكن أداؤه يساوي Pentium من Intel دائمًا، لكنه قدم قيمة جيدة وتوافقًا مع برمجيات ذلك الوقت.

واجه مشروع K5 صعوبات عدة. كانت بعض أهداف التصميم طموحة، ووصلت الشريحة إلى السوق متأخرة عن الخطة. ومع ذلك علّمت التجربة AMD كيفية إدارة مشاريع التصميم الكبيرة والتحقق من المنطق المعقّد والتنسيق مع شركاء التصنيع.

NexGen وK6

في أوائل عام 1996 استحوذت AMD على شركة NexGen الصغيرة، التي طوّر فريقها معالجًا باسم Nx586. اتبع مهندسو NexGen نهجًا مختلفًا، إذ حوّلوا تعليمات x86 إلى عمليات داخلية أبسط، مما سمح للشريحة بمعالجة عدة عمليات بالتوازي. وقد تميّزت Nx586 في بعض أنواع الأحمال، لكنها واجهت مشكلات في التصنيع وفي السوق.

استخدمت AMD فريق NexGen أساسًا لمعالج K6 الذي صدر عام 1997. كان K6 شريحة فعّالة وغير مكلفة تنافس Pentium MMX من Intel مباشرة. وكان أداؤه اليومي قويًا قياسًا بسعره، وساعد في ترسيخ سمعة AMD كمصنّع للمعالجات عالية القيمة.

K6-2 وتقنية 3DNow!

قدّم K6-2 عام 1998 مجموعة من التعليمات تُسمى 3DNow! لتسريع الرسومات ثلاثية الأبعاد والعمليات الحسابية العشرية الكثيفة. وقد طُوّرت هذه الإضافات استجابة للطلب المتزايد على الألعاب ثلاثية الأبعاد ووسائط الإعلام المتعددة. كان على البرمجيات أن تدعمها لتستفيد منها، ولم تفعل ذلك كل البرامج، لكن K6-2 منح AMD ميزة لم تكن Intel تقدمها آنذاك.

وبيع K6-2 بكميات كبيرة في الأسواق منخفضة التكلفة والسوق الرئيسية، وساعد AMD على الحصول على حصة أكبر من سوق أجهزة سطح المكتب.

Athlon: AMD تصبح رائدة في الأداء

في عام 1999 أطلقت AMD المعالج Athlon، الذي صممه فريق بقيادة Dirk Meyer ومهندسون آخرون عملوا في مشروع K7. كان Athlon قفزة كبيرة، إذ امتلك بنية جديدة وناقلًا أسرع وخط أنابيب أعمق، وكان أول معالج x86 من AMD ينافس بجدية أعلى منتجات Intel في الأداء الخام.

في مارس 2000 أصبحت AMD أول شركة تشحن معالج x86 بسرعة 1 غيغاهرتز إلى المستهلكين، متقدمة على Intel بفارق بسيط. وحظي هذا الإنجاز بتغطية واسعة، وغيّر صورة AMD من علامة تجارية للقيمة إلى قائد تقني. وبدأ اللاعبون ومحبو رفع التردد يفضلون Athlon.

Thunderbird وPalomino وAthlon XP

قدّم Athlon Thunderbird عام 2000 ذاكرة تخزين مؤقت من المستوى الثاني داخل شريحة المعالج نفسها، فتحسن الأداء، ثم جاءت نواة Palomino ومعالج Athlon XP. استُخدم اسم XP ليدل على أن معالجات AMD تضاهي Pentium 4 من Intel في عدة اختبارات حتى مع تردد ساعة أقل. وكانت التسمية حسب الأداء لا حسب التردد مثار جدل، لكنها نجحت في السوق.

نجح Athlon XP وAthlon MP في أجهزة سطح المكتب والخوادم. وحققت AMD خلال تلك الفترة ربحية قوية، لكن المنافسة مع Intel ظلت شديدة.

Athlon 64 وx86-64

جاءت أهم نقطة تحول في هذا العصر عام 2003، عندما أطلقت AMD المعالج Opteron للخوادم والمعالج Athlon 64 للمستخدمين العاديين. طبّق الاثنان امتدادًا لـ x86 يُسمى x86-64، واسمه الرسمي AMD64، وأضاف عنونة بحجم 64 بت وسجلات إضافية. كانت Intel تطور بنية 64 بت مختلفة مع Hewlett-Packard باسم IA-64 أو Itanium، وهي غير متوافقة مع برمجيات x86 الموجودة. سمح نهج AMD لمعالجها بتشغيل برامج 32 بت و64 بت معًا، فيمكن للعملاء الترقية دون إعادة كتابة برمجياتهم.

آتى القرار ثماره. فقد تبنت Intel في النهاية مجموعة تعليمات AMD64 تحت اسم Intel 64، وهذا أكّد أن AMD حددت اتجاه x86 السائد للعقد التالي.

نقل وحدة التحكم في الذاكرة إلى الشريحة

نقل Athlon 64 أيضًا وحدة التحكم في الذاكرة إلى داخل المعالج نفسه. فقد كانت من قبل شريحة منفصلة على اللوحة الأم، مما أضاف تأخيرًا إلى كل عملية وصول للذاكرة. وبعد دمجها، صار المعالج يجلب البيانات من الذاكرة العشوائية بسرعة أكبر، فتحسّن الأداء في كثير من التطبيقات. وأصبحت الفكرة معيارًا في الصناعة، ومهّدت كذلك لـ Infinity Fabric وتصاميم الشرائح المركّبة لاحقًا.

Athlon 64 X2 وعصر نواتين

في عام 2005 أطلقت AMD المعالج Athlon 64 X2، وهو معالج ثنائي النواة يضع نواتين على شريحة واحدة. أطلقت Intel منتجات ثنائية النواة في الوقت نفسه تقريبًا، لكن Athlon 64 X2 لقي إشادة واسعة لأدائه واستهلاكه المنخفض للطاقة وتوافقه مع اللوحات الأم الموجودة. ومنح AMD موقعًا قويًا في السوق الاستهلاكية خلال السنوات الأولى للحوسبة متعددة النوى.

استحواذ AMD على ATI عام 2006

في عام 2006 أتمت AMD شراء ATI Technologies، وهي شركة كبرى لشرائح الرسوميات، مقابل نحو 5.4 مليار دولار أمريكي. وغيّرت الصفقة اتجاه الشركة. فقد جلبت فريقًا رسوميًا يمتلك خبرة عقود، ومحفظة براءات اختراع قيّمة. ورأت AMD أن الجمع بين المعالجة المركزية ومعالجة الرسوميات سيحدد مستقبل الحوسبة.

كان الاستحواذ مكلفًا أيضًا. فقد تحمّلت AMD ديونًا كبيرة، واضطرت إلى دمج مؤسستين هندسيتين ذواتي ثقافتين مختلفتين، وأصبح وضعها المالي أكثر هشاشة في السنوات التالية. لكن فكرة الجمع بين CPU وGPU قادت إلى وحدات المعالجة المسرّعة (APU) التي بدأت AMD بشحنها عام 2011، ولاحقًا إلى المعالجات داخل أجهزة الألعاب المنزلية.

Phenom وخطأ مكلف

كان Phenom عام 2007 أول معالج رباعي النواة أصلي لدى AMD، إذ صُنعت النوى الأربع على شريحة واحدة بدلًا من دمج شريحتين ثنائيتي النواة. كان التصميم طموحًا، لكن النسخ الأولى حملت خللًا في ذاكرة الترجمة (TLB) أثّر على الاستقرار والأداء في بعض الحالات. أصدرت AMD تصحيحًا ومراجعات لاحقة، لكن سمعة الشركة تضررت.

كما تأخرت سرعات الساعة في Phenom عن Core 2 من Intel، الذي أُطلق عام 2006 بتفوق كبير في الأداء. تراجعت حصة AMD في السوق، وركزت الشركة على خفض التكاليف وعلى أعمالها في الرسوميات. وعلّمتها هذه الفترة قيمة التحقق الدقيق والجداول الزمنية الواقعية وكلفة أخطاء التصميم.

Bulldozer وAPU

قدّمت AMD عام 2011 بنية Bulldozer، التي جمعت النوى في وحدات تتشارك فيها كل نواتان وحدة فاصلة عائمة واحدة. كانت الفكرة إضافة نوى بتكلفة سيليكون معقولة، لكن الأداء لكل نواة جاء دون التوقعات، خاصة في الأحمال الثقيلة على الفاصلة العائمة. ووُجّه انتقاد واسع إلى سلسلة FX.

وفي الفترة نفسها شحنت AMD معالج Llano APU الذي جمع المعالج ومعالج الرسوميات في شريحة واحدة للحواسيب المحمولة وأجهزة سطح المكتب منخفضة التكلفة. كان نهج APU هو الاتجاه الصحيح على المدى الطويل، لكن أموال الشركة كانت محدودة جدًا آنذاك.

سنوات صعبة ثم العودة

من 2012 إلى 2016 خفّضت AMD التكاليف بشدة وقلّصت عدد موظفيها. تولّت Lisa Su منصب الرئيس التنفيذي في أكتوبر 2014 وركّزت الشركة على منتجاتها الأساسية وبنية جديدة. أما Jim Keller، وهو مصمم يحظى بسمعة طيبة بفضل عدة شرائح سابقة، فقد انضم عام 2012 وقاد تطوير بنية Zen.

صُمّمت Zen لتقديم عدد أكبر بكثير من التعليمات لكل دورة ساعة، وأن تعتمد على هيكل يتوسع جيدًا مع زيادة عدد النوى، وأن تستفيد من عمليات التصنيع الأدق لدى TSMC.

Zen وRyzen

في مارس 2017 أطلقت AMD أول معالجات Ryzen المبنية على Zen. قدّمت عددًا أكبر بكثير من النوى مقارنة بالشرائح المنافسة وبأسعار أقل كثيرًا، فجعلتها خيارًا جذابًا مرة أخرى للاعبين وصناع المحتوى. وفي يونيو 2017 تبعتها سلسلة EPYC للخوادم، التي قدّمت عددًا أكبر من النوى وسعة ذاكرة أكبر من شرائح Intel للخوادم بأسعار تنافسية.

الشرائح المركّبة تغيّر الاقتصاد

كان Zen 2 الذي صدر عام 2019 نقطة تحول كبيرة أخرى. قسّمت AMD المعالج إلى عدة شرائح صغيرة تُسمى Core Complex Die أو CCD، ووضعتها حول شريحة إدخال/إخراج مركزية تحتوي على وحدة التحكم في الذاكرة. وتتصل الشرائح ببعضها عبر Infinity Fabric.

كانت الفائدة في معدل الإنتاج الصالح. فعلى عملية TSMC بحجم 7 نانومتر، تكون نسبة الشرائح الصغيرة الخالية من العيوب أعلى بكثير منها في شريحة كبيرة واحدة. لذلك استطاعت AMD خفض تكلفة كل معالج، وإعادة استخدام CCD نفسه في منتجات كثيرة من Ryzen حتى EPYC ذات عدد النوى الكبير. وبهذا حصلت الشركة على موقع أقوى في السعر وعدد النوى معًا.

Zen 3 وV-Cache ثلاثي الأبعاد وZen 4

أعاد Zen 3 عام 2020 تنظيم ذاكرة التخزين المؤقت في CCD، بحيث يصل كل نواة إلى مساحة أكبر من ذاكرة المستوى الثالث، فتحسّن أداء الألعاب بوضوح. وفي عام 2022 أطلقت AMD المعالج Ryzen 7 5800X3D، الذي كدّس ذاكرة 3D V-Cache فوق CCD وزاد ذاكرة L3 زيادة كبيرة، فأصبح المفضل لدى اللاعبين بفضل مكاسبه في الألعاب.

وقدّم Zen 4 في العام نفسه منصة AM5 وذاكرة DDR5، وهو تغيير كبير في المنصة. أما Zen 5 الذي صدر عام 2024 فقد حسّن الأداء لكل دورة ساعة وإنتاجية الحوسبة.

أجهزة الألعاب المنزلية والأجهزة المحمولة

زوّدت AMD عدة أجهزة ألعاب منزلية بالشرائح. فقد استخدم PlayStation 4 وXbox One عام 2013 بنية Jaguar، واستخدم PlayStation 5 وXbox Series عام 2020 بنية Zen 2. وأمّنت هذه العقود طويلة الأجل دخلًا ثابتًا لـ AMD. كما يعتمد Steam Deck الذي صدر عام 2022 على معالج APU من AMD يجمع بين معالج Zen 2 ومعالج رسوميات RDNA، فصارت لـ AMD مكانة في الألعاب المحمولة أيضًا.

دروس من تاريخ AMD

الخلاصة

من نسخة مرخّصة من المعالج 8080 عام 1975 إلى Athlon الذي بلغ 1 غيغاهرتز، ثم إلى معالجات Ryzen وEPYC المبنية من الشرائح المركّبة، تحكي تاريخ AMD قصة منافسة لخصوم أكبر بكثير، وإعادة بناء للذات مرات عديدة. وكلما شغّلت حاسوبًا فيه معالج من AMD، فأنت تستفيد من تلك القرارات الهندسية.