الملخص التنفيذي وتمرس السوق
إن الوتيرة المتسارعة لعرض نطاق واجهة PCIe - التي تضاعف الجيل تلو الآخر نحو مواصفات PCIe 7.0 وPCIe 8.0 المقترحة - قد خلقت أزمة معمارية حادة داخل وحدات تحكم محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) الخاصة بالمؤسسات. ومع ارتفاع سرعات الواجهات بشكل صاروخي ومطالبة صناعة الذكاء الاصطناعي بمعدلات نقل غير مسبوقة تقترب من 100 مليون عملية إدخال/إخراج في الثانية (IOPS)، فإن المعماريات التقليدية متعددة النوى والتي تحكمها معالجات Arm العامة أحادية الكتلة تصل إلى جدران مادية وتعارضية أساسية. إن توسيع النطاق ببساطة من خلال حشو المزيد من النوى عالية الأداء على شريحة وحدة التحكم لم يعد مجدياً بسبب قيود الطاقة والمساحة والحرارة الشديدة.
ولكسر هذا النموذج، فصلت شركة SK hynix معماريتها المبتكرة لمعالجة معاملات Hynix (H-TPU) في المؤتمر الدولي لتصميم الأنظمة على شريحة (ISOCC 2026). وبدلاً من الاعتماد على الحوسبة العامة المستهلكة للطاقة للتعامل مع روتينات التخزين المتكررة ومنخفضة المستوى، يوزع نهج SK hynix المهام عبر مصفوفة ضخمة من عقد الحوسبة القابلة للبرمجة وخفيفة الوزن للغاية. ومن خلال تفويض مهام الإدخال/الإخراج الروتينية، وإدارة بيانات التعريف، والتحكم في المخازن المؤقتة لهذه المجموعات المتخصصة مع ترك الاستثناءات المعقدة وإدارة السياسات لمعالج Arm مركزي، تهدف SK hynix إلى تأمين ميزة تنافسية حاسمة في الجيل القادم من أنظمة الفلاش المؤسسية وفلاش النطاق الترددي العالي (HBF).
الابتكارات المعمارية والتكنولوجية الأساسية
إن وحدة H-TPU هي نواة قابلة للبرمجة تم تطويرها داخلياً ومصممة خصيصاً لأحمال عمل التخزين المتخصصة. ومختلفة عن وحدات معالجة التنسیق المستخدمة في مسرعات الذكاء الاصطناعي أو محركات التنفيذ الفائق التدرج خارج الترتيب، تستخدم H-TPU خط أنابيب مبسطاً وحتمياً رباعي المراحل وفي نفس الترتيب. يتيح تصميم خط الأنابيب النحيل هذا لنواة H-TPU واحدة استهلاك جزء ضئيل فقط من بصمة نواة وحدة المعالجة المركزية القياسية. تشير إفصاحات براءات الاختراع والملخصات المعمارية إلى أنه يتم نشر هذه المعالجات الدقيقة في عشرات المجموعات المتخصصة التي يبلغ عددها أكثر من 100 نواة فردية، لتشكل مستوى مخصصاً لمعالجة الإدخال/الإخراج يعمل بشكل موازٍ لمستوى التحكم المواجه للمضيف.
وقد تم تصميم خط الأنابيب هذا للتعامل مع الوظائف المنفصلة مثل استقبال الأوامر، والتخزين المؤقت لترجمة العناوين، وتخطيط الذاكرة غير المتطايرة (NVM) بشكل تسلسلي. وعندما تكون مسارات بيانات معينة خاملة، تنتقل نوى H-TPU الفردية فوراً إلى حالة سكون دقيقة بأقل استهلاك للطاقة، مما يخفف من مشاكل الكثافة الحرارية. وبالنظر إلى ما هو أبعد من وحدات H-TPU القابلة للبرمجة، فإن خارطة الطريق طويلة المدى لشركات SK hynix تتضمن دوائر أتمتة الأجهزة (HWA). هذه الكتل ذات الوظائف الثابتة تربط بشكل دائم مهام مثل أتمتة الكتابة والبحث عن العناوين، مما يضمن أوقات إكمال حتمية وقابلة للتنبؤ بشكل كبير والتي تعتبر ضرورية لطبقات المؤسسات ذات معدلات IOPS القصوى وتكوينات ذاكرة الذكاء الاصطناعي المتخصصة.
المواصفات التجريبية ومصفوفة المعايير
| المقياس المعماري | وحدة تخزين SSD أساسية للمؤسسات (مثل Marvell Bravera SC6) | معمارية H-TPU من SK hynix | الفارق المعماري / الميزة |
|---|---|---|---|
| وحدة المعالجة المركزية الأساسية للتحكم | 12 معالج Cortex-R82 + 3 معالجات Cortex-M7 (متعدد النوى أحادي الكتلة) | معالج Arm مركزي + >100 نواة دقيقة H-TPU | انخفاض كبير في حمل التعليمات المركزية |
| استهلاك طاقة النواة | ~100% من النواة القياسية عالية الأداء الأساسية | ~2.5% من نواة وحدة المعالجة المركزية للأغراض العامة | تبديد طاقة ديناميكي منخفض بشكل كبير |
| بصمة مساحة الشريحة | بصمة مجموعة كبيرة متعددة النوى (~7 مليون بوابة منطقية) | ~4% من نواة وحدة المعالجة المركزية للأغراض العامة (~200 ألف بوابة) | توفير هائل في مساحة السيليكون |
| طوبولوجيا خط الأنابيب | تنفيذ معقد خارج الترتيب / فائق التدرج | تنفيذ تسلسلي رباعي المراحل وفي نفس الترتيب | زمن الوصول الحتمي، الحد الأدنى من عبء التحكم |
| النظم الإيكولوجية المستهدفة | تخزين المؤسسات القياسي PCIe 6.0 | ناند تقليدي، محركات SSD للمؤسسات، وHBF | محسّنة لسير عمل استدلال الذكاء الاصطناعي عالي النطاق الترددي |
الحرارية والكفاءة وبيئة العمل في العالم الحقيقي
إن الانتقال إلى طوبولوجيا النوى الدقيقة متعددة المجموعات يعالج بشكل مباشر الحقائق الديناميكية الحرارية لتخزين المؤسسات الحديثة. وكما يتبين من حلول المنافسين التي تكدس ما يصل إلى اثنتي عشرة نواة Cortex-R عالية الأداء إلى جانب عقد إدارة Cortex-M الإضافية، فإن توسيع نطاق النوى الخام يؤدي إلى تركيزات حرارية موضعية شديدة وعقوبات طاقة حادة. تعمل معمارية H-TPU من SK hynix على تجاوز هذا القصور في الكفاءة من خلال استخدام كتل منطقية تشغل 4% فقط من مساحة النواة القياسية وتستهلك 2.5% فقط من طاقتها. تتيح فلسفة التصميم النحيلة هذه لوحدات التحكم الحفاظ على الغلاف الحراري الأمثل حتى عند الحفاظ على تدفقات بيانات كثيفة وثقيلة القراءة تتطلبها أحمال عمل استدلال الذكاء الاصطناعي.
علاوة على ذلك، تثبت هذه المعمارية أهميتها القصوى لتصميمات فلاش النطاق الترددي العالي (HBF) القادمة والمقرر طرحها العام المقبل. تجمع تقنية HBF شرائح NAND متعددة لتحقيق مستويات نطاق ترددي تعادل ذاكرة النطاق الترددي العالي (HBM) مع قابلية توسعة السعة تصل إلى 512 جيجابايت لكل حزمة. وفي مثل هذه التكوينات المكانية الكثيفة - حيث يمكن أن تصل نسب القراءة إلى الكتابة في استدلال الذكاء الاصطناعي إلى 300,000 مقابل 1 - تكون تكوينات Arm التقليدية متعددة النوى غير عمليين حرارياً وجسدياً. إن قدرة H-TPU على إدارة الجلب المسبق العميق والتحكم في المخازن المؤقتة بكفاءة تكمن في التكامل المباشر مع تدفقات البيانات على مستوى الأجهزة، مما يخفي وصول NAND ذي زمن الوصول العالي خلف الحوسبة عالية السرعة دون إطلاق خنق حراري.
الحكم النهائي
تمثل معمارية H-TPU من SK hynix نقطة تحول فاصلة في هندسة وحدات تحكم محركات SSD. من خلال إدراك أن توسيع نطاق النوى بالقوة الغاشمة هو طريق مسدود لواجهات PCIe 6.0 و 7.0 و 8.0 القادمة، قامت SK hynix هندسياً بتصميم آلية تفريغ عملية وقابلة للتوسع بشكل كبير. إن الجمع