תקוות גדולות - רכיבים קטנים - כתבה ראשונה

כמו חברות אחרות בסדר הגודל שלה, גם טקסס אינסטרומנטס (להלן "TI") נוהגת לקיים מדי שנה כנס מפתחים רחב היקף ומנצלת את ההזדמנות כדי להזמין עיתונאים מכל העולם ולחשוף בפניהם את הפיתוחים האחרונים שלה.

2003 תירשם, ככל הנראה, כאחת השנים הטובות של TI, שנה בה היא חיזקה את מעמדה כשחקן מרכזי בתחום השבבים למכשירים סלולריים ולמחשבי כף יד, וגם הצליחה להבריח חלק גדול מהמתחרות על שוק השבבים לתקשורת אלחוטית. TI מציעה היום מוצרים ופתרונות לשוקי הטלפוניה, הפס הרחב, התקשורת האופטית וה-Imaging, בעיקר צילום דיגיטלי.

והכי חשוב אולי מבחינתה: היא ביצעה חדירה מרשימה לשוק האלקטרוניקה הביתית (Consumer Electronics), שיותר ויותר מקובל לכנות אותה היום "אלקטרוניקה בידורית". בשוק הזה מעמדה הולך ומתחזק בזכות מעבדי ה-DSP שלה.

DSP הם ראשי תיבות של Digital Signal Processor, כלומר מעבד אותות ספרתיים. השימוש ב-DSP מאופיין כהמשך להמרה של אותות אנלוגיים מ"העולם האמיתי", למשל תמונות ממצלמת וידאו או קולות שנקלטו הטלפון סלולרי, לאותות ספרתיים, למשל קבצי WAV או RAW.

המעבד אמור לבצע בצורה דיגיטלית את מה שבאלקטרוניקה קלאסית עשו באמצעים אנלוגיים, למשל ניקוי רעשים או הפרדה ספקטרלית. בדרך כלל הקובץ המופק מה-DSP עובר עיבוד נוסף במסגרת של יישום "גבוה", למשל קובץ הקול הדיגיטלי יכול לשמש חומר גלם לתוכנת זיהוי דיבור והקובץ מהמצלמה הדיגיטלית ימצא את דרכו לתוכנת עריכת תמונה דוגמת פוטושופ.

דוברי החברה מודים שלטכנולוגיות מתחרות, דוגמת ASSP, ASIC ואפילו RISC, עשוי להיות יתרון קל על DSP מבחינת עלות החומרה, אבל בניתוח שכולל פרמטרים של ביצועים, צריכת חשמל, גמישות, קלות פיתוח ובעיקר - זמינות - הם מאמינים שאין ל-DSP תחרות. כדי לשכנע אותנו שיש כיסוי לטענה הם הציגו ב-IT Developer שורה של מוצרים מאלפים שמתבססים על מעבדי ה-DSP שלהם.

אם קראנו נכון, TI מכוונת למקום שבו יהיה לה מעמד דומה לזה שיש לאינטל היום. עוד חזון למועד, וצריך לקבל הכל בעירבון מוגבל, אבל הם נשמעו בטוחים מאד בעצמם והיו להם כמה דברים מעניינים לומר.

עידן ישן, עידן חדש

המרצה הבכיר ביותר במסיבת העיתונאים בברמינגהם, היה ז'אן מארק דארשי (Jean Marc Darchy), מנהל קבוצת מוצרי ה-DSP של TI באירופה. לא מפתיע לגלות שדארשי נוטה חיבה יתרה לטכנולוגיית DSP אך אי אפשר לפסול על הסף את הטענה שלו, שעיקרה הוא: אנו מתקרבים לסוף עידן המעבדים הרב תכליתיים מהסוג אליו הרגילו אותנו המחשבים האישיים; העתיד טמון במעבדים מתמחים (Specialized Microprocessors).

גם אם המעבדים הרב תכליתיים לא ייעלמו לגמרי, ברור שהם יקבלו תפקיד משני בהרבה. אחרי שנים בהן דרישות המעבדים עבור המחשבים השולחניים הם אלו שדחפו את תעשיית המוליכים למחצה (והכתירו את אינטל למלכת הסיליקון), מרכז הכובד של התעשייה הזו יעבור לרכיבי DSP כמו אלו ש-TI (איך לא) מייצרת - עד כאן דארשי.

כאמור, DSP הוא שם גנרי לארכיטקטורת שבבים שמתמחה במשימות עיבוד נתונים האופייניות לסוגים שונים של ממשק בין העולם האמיתי לבין מערכות לוגיות. המשותף לכולם הוא הצורך להתמודד בזמן אמת עם זרם מהיר של נתונים בפורמט קבוע, ולבצע עליהם סדרה מחזורית של פעולות אריתמטיות פשוטות יחסית - פשוטות למחשב, לא לתלמיד בית ספר.

לדוגמה: סינון הרעשים מאות האודיו בטלפון סלולרי דורש לדמות את הפעולה של מסנן-תדר אנלוגי באמצעות חישובים סטנדרטיים המבוצעים על ערכי הדגימות הדיגיטליות שיוצאות מהמקלט (אחרי ה-ADC, הממיר מאנלוגי לספרתי).

החישובים הם סידרה של הכפלות, חיבורים וחלוקות, שלא כאן המקום לפרט אותם. מספיק לדעת שאותה סידרה עצמה מבוצעת בזו אחר זו על כל הדגימות, כל סידרה כוללת מאות או אלפי פעולות חישוב והדגימות מגיעות מהמקלט בקצב של עשרות או מאות אלפים לשניה.

מכאן שה-DSP אמור לבצע עשרות או מאות מיליוני חישובים בשנייה, בלי להתעכב על המתנה לנתונים שיגיעו מהזיכרון משום שהזרם קבוע וחייבים לטפל בכל דגימה "בזרימה", On The Fly. לתכונה הזאת קוראים "זמן-אמת" והיא אפשרית רק משום שהתוכניתן יודע מראש איך יתבצע אלגוריתם העיבוד, ללא הפתעות של "הסתעפות לוגית" (Branch) המותנית בערכים המעובדים.

הביטוי "צינור ביצוע" (Pipeline) מוכר לכם בוודאי מהתיאורים של מעבדים כלליים, דוגמת הפנטיום לדורותיו, אך הדימוי הולם במיוחד את צורת העבודה של DSP. נתונים גולמיים נכנסים בצד אחד בזרם קבוע ונתונים מעובדים יוצאים מהצד השני בקצב קבוע ושני הזרמים מסונכרנים זה עם זה.

באמצע יש "צינור" שיכולת העיבוד שלו קובעת את "רוחב הפס" של הזרמים. כדי לטפל באותות מורכבים יותר צריך בדרך-כלל לספק רוחב פס גדול יותר, ולכן הדרישות מה-DSP הולכות וגדלות עם הזמן. עדיין, ארכיטקטורת DSP תהיה הרבה יותר יעילה מהארכיטקטורות האחרות ביישומים אופייניים.

זו הסיבה, למשל, לכך שאינטל נאלצה להוסיף למעבדי פנטיום את מנוע MMX לטיפול באותות אודיו (שם מספיקה היכולת של מנוע עיבוד שלמים) ומאוחר יותר להוסיף את פקודות SSE, שכוללות גם עיבוד ב"נקודה צפה". אלו הן הרחבות בנוסח DSP של ארכיטקטורת x86 המקורית.

שבבי DSP מהווים, כבר היום, חלק בלתי נפרד מהסביבה הטכנולוגית שאנחנו מכירים. הם משולבים כמעט בכל סוג של חומרת תקשורת או מולטימדיה, בדרך כלל לצד שבבים "חכמים" יותר שמריצים את הקוד היישומי, מנהלים את רוב העבודה, צורכים את רוב הסיליקון ומחזיקים בעיקר הנתח של שוק המוליכים למחצה. ב-TI טוענים שזה הולך להשתנות.

מריכוז לביזור: כמה מילים על ארכיטקטורות מעבדים

כדי להסביר את ההשלכות המעשיות של טענות אלו, יש להבין תחילה לאן דארשי לוקח את הדיון. ב"מעבדים רב-תכליתיים" (General Purpose Microprocessors), הכוונה היא למעבדים שמסוגלים לעמוד בבסיסה של פלטפורמה מורכבת כמו PC שרת Unix או אפילו מחשב Mainframe לצורך העניין.

בסביבות כאלו על המעבד להתמודד עם מגוון רחב של משימות שעשויות להיות שונות לחלוטין זו מזו. אחד החוקים הבסיסיים שהוכיח טיורינג, אבי תורת המחשבים החדישה, הוא שניתן עקרונית לבצע כל אלגוריתם חישובי על מכונה בסיסית מאוד שיודעת לבצע רק כמה פעולות פרימיטיביות בתכלית, כמו קריאה מהזיכרון, השוואה של שתי סיביות, מחיקה וכתיבה לזיכרון.

גם כאשר מדובר בפעולות חישוב מורכבות יותר - השערים הלוגיים המורכבים (NAND, NOR, XOR) נוצרים כתוצאה מצירופים של השערים הפשוטים יותר (AND, OR, NOT), ולמעשה, ניתן להרכיב את כל השערים הלוגיים הקיימים אפילו באמצעות שניים מבין שלושת השערים הבסיסיים.

כלומר, לכל פעולה שמעבד כלשהו נדרש לבצע, ניתן לעשות רדוקציה לצירוף בסיסי של פעולות אריתמטיות ולוגיות, ושל פעולות קלט-פלט (מול הסוגים השונים של הזיכרון שעומדים לרשותו). כך ניתן לבנות מנוע פקודות בסיסי, שבמרכזו אוסף פקודות (Instruction Set) קטן, ובאמצעותו לבצע כל פעולה חישובית שהיא.

זה ההיגיון מאחורי מעבדי ה-RISC (Reduced Instruction Set Computer), ולכן הם בדרך כלל קטנים, זולים, ונוחים לשילוב בארכיטקטורות מחשוב מקביליות; כשדרוש כוח חישובי נוסף בארכיטקטורת RISC, אפשר להעלות את מהירות השעון או להוסיף עוד מעבדים.

במשך תקופה מסוימת נראה היה ששני הדברים קלים יותר לביצוע ב-RISC בהשוואה לארכיטקטורות CISC דוגמת x86 של אינטל. מעבדי CISC מיישמים גישה הפוכה: אוסף הפקודות הבסיסי שלהם גדול יותר, וכולל פקודות מורכבות שמיועדות לביצוע של משימות ספציפיות, כשבמצב האופטימלי הפקודות הללו מותאמות לפעולות שעל המעבד לבצע בשיגרת העבודה.

למשל, מציאת נתון בזיכרון דורשת בדרך כלל חישוב הכתובת מתוך מספר נתונים השמורים בשניים או יותר "רגיסטרים". ב-RISC האחריות על החישוב נופלת על הקוד שהכין המהדר. ב-CISC יש כבר פקודות מיוחדות לכך ורק צריך לקרוא להן על מנת שכל התהליך יתבצע בצורה האופטימלית.

התוצאה היא מעבד גדול, מורכב ויקר יותר - וזה החיסרון של CISC. היתרון הוא שלמעבד המורכב יותר, ניתן לשדך מהדרים פשוטים יותר, משום שהחומרה כבר כוללת קוד צרוב עבור תהליכים שגורים גם אם הם לא מתבצעים במחזור שעון אחד. היסטורית, זו אחת הסיבות לכך שתמיד היו הרבה יותר יישומים עבור הפלטפורמות האינטליות.

הניצחון של אינטל נחתם אחרי שהיא הצליחה, החל מהחצי השני של שנות התשעים, להוכיח שארכיטקטורה כזו יכולה להיות בסופו של דבר גם זולה יותר ליישום וגם להשיג ביצועים טובים יותר - אם כי במחיר הגדלת השבב.

הכותב היה אורח טקסס אינסטרומנטס בכנס IT Developer.