كيف تريد سامسونغ إعادة تشكيل ذاكرة الذكاء الاصطناعي عبر ثلاث مراحل؟

تتحرك استراتيجية سامسونغ في مجال الذاكرة عالية النطاق الترددي (HBM) تدريجياً من تحسينات على القالب الأساسي إلى دمج الذاكرة والمعالجة في بنية ثلاثية الأبعاد حقيقية. تبدأ الخطة بنقل وظائف التحكم والواجهة إلى القالب المنطقي الموجود أسفل مكدس HBM، ثم تضيف إليه قدرات المراقبة وتوسعة الذاكرة والمعالجة قرب البيانات، قبل أن تصل في مرحلتها الأخيرة إلى zHBM، حيث يوضع معالج الذكاء الاصطناعي مباشرة تحت مكدس DRAM.

لكن من المهم قراءة أرقام الأداء بحذر: فهي أهداف لخارطة طريق مستقبلية، وليست نتائج قياس مثبتة لمنصة إنتاجية واسعة التوافر. 1713

خارطة الطريق في لمحة

المرحلة	التغيير المعماري الرئيسي	الفائدة المستهدفة
المرحلة الأولى: cHBM	نقل متحكم الذاكرة وواجهة أصغر للاتصال بين القوالب إلى القالب المنطقي الأساسي في HBM	تحرير مساحة من شريحة المسرّع وتقليل كلفة نقل البيانات عبر الواجهة
المرحلة الثانية: aHBM	إضافة القياس عن بُعد، ووحدات التحكم في توسيع الذاكرة، وبعض عناصر المعالجة إلى القالب الأساسي	تحسين إدارة الذاكرة وسعتها واستغلالها بالقرب من البيانات
المرحلة الثالثة: zHBM	تكديس بنية DRAM/HBM مباشرة فوق مسرّع الذكاء الاصطناعي	تقصير المسار بين المعالج والذاكرة وزيادة كثافة الاتصال عمودياً

تكمن أهمية هذا التسلسل في أنه يغيّر دور القالب الأساسي. فبدلاً من أن يكون طبقة اتصال وتحكم في المقام الأول، يتحول تدريجياً إلى نظام فرعي منطقي أكثر قدرة، ثم يصبح جزءاً من بنية مدمجة عمودياً تجمع الحوسبة والذاكرة. 182027

المرحلة الأولى: cHBM تنقل التحكم بعيداً عن المسرّع

تنطلق سامسونغ من HBM4 الذي يجمع ذاكرة DRAM من نوع 1c مع قالب منطقي أساسي بدقة تصنيع 4 نانومتر. وتقول الشركة إن تصميم HBM4 يمكن أن يصل إلى سرعة 13 غيغابت في الثانية وعرض نطاق يصل إلى 3,300 غيغابايت في الثانية لكل مكدس، إلا أن هذه أرقام تخص منتج HBM4 وليست مواصفات لتقنية zHBM اللاحقة. 3537

وتبني المرحلة الأولى على هذه القدرة المنطقية عبر استبدال طبقة الواجهة الفيزيائية التقليدية والأكبر حجماً في مسرّع الذكاء الاصطناعي بواجهة أكثر إحكاماً للاتصال بين القوالب. كما تنقل وظائف متحكم الذاكرة من المسرّع إلى القالب الأساسي في HBM. 1720

وقد ينتج عن ذلك ميزتان أساسيتان:

• مساحة أكبر داخل المسرّع: يمكن استخدام المساحة التي كانت مخصصة لمتحكم الذاكرة ووظائف الواجهة في وحدات حسابية أو ذاكرة مخبئية أو منطق مخصص للتطبيق.
• مسار كهربائي أقصر: قد يؤدي نقل الوظائف إلى القالب الأساسي إلى تقليل المسافة والكلفة المرتبطة بالاتصال بين المسرّع وذاكرة HBM، ما يحسن كفاءة الطاقة في الواجهة. 13

وتشير بعض التقارير إلى إمكانية استعادة ما بين 5% و10% من مساحة المسرّع، مع تحسن محتمل في الأداء يتراوح بين 10% و20%. غير أن هذه الأرقام مأخوذة من مواد متداولة حول خارطة الطريق، ولا ينبغي اعتبارها نتيجة عامة تنطبق على كل معالج للذكاء الاصطناعي. 1729

المرحلة الثانية: aHBM تحول القالب الأساسي إلى نظام فرعي نشط

في المرحلة الثانية، تستفيد سامسونغ من المساحة التي أُتيحَت في القالب الأساسي لإضافة وظائف جديدة. ويشمل مفهوم aHBM مستشعرات وقياساً آنياً لظروف مثل درجة الحرارة والجهد، إلى جانب وظائف الاعتمادية والاختبار الذاتي. ويمكن لهذه البيانات أن تساعد النظام على الاستجابة بدقة أكبر لظروف التشغيل ومراقبة سلامة مكدس الذاكرة. 182728

كما يمكن للقالب الأساسي أن يعمل كواجهة لتوسعة الذاكرة، عبر ربط HBM إضافية أو أنواع أخرى مثل LPDDR. ويمنح ذلك مصممي الأنظمة وسيلة أخرى لزيادة السعة القابلة للاستخدام، بدلاً من الاعتماد حصراً على مكدس HBM المحلي. 182829

وتقترح سامسونغ أيضاً وضع عناصر معالجة داخل القالب الأساسي. ولن تحل هذه العناصر محل وحدة GPU أو مسرّع عام؛ بل ستتولى مهام محددة كثيفة التعامل مع الذاكرة بالقرب من البيانات، ما يقلل بعض حركة البيانات عبر الحزمة وقد يحسن الاستفادة من الموارد. 61927

وتُعد هذه المرحلة انتقالية: إذ تظل HBM إلى جانب المعالج ضمن حزمة ثنائية الأبعاد والنصف 2.5D، لكن القالب الأساسي يبدأ في التصرف كنظام فرعي ذكي للإدخال والإخراج والمعالجة.

المرحلة الثالثة: zHBM تضع الذاكرة مباشرة فوق الحوسبة

تمثل zHBM الخطوة الأكثر جذرية. ففي الحزمة التقليدية، توضع وحدة المعالجة ومكدسات HBM جنباً إلى جنب على طبقة وسيطة تُعرف باسم interposer. أما مفهوم zHBM لدى سامسونغ، فيضع المعالج مباشرة أسفل مكدس DRAM، لينشئ بنية حقيقية ثلاثية الأبعاد تجمع الحوسبة والذاكرة. 3732

ويهدف هذا الترتيب العمودي إلى تقصير المسافة التي تقطعها البيانات، واستبدال واجهة كبيرة متمركزة عند الحواف باتصالات عمودية أكثر كثافة وموزعة عبر مساحة القالب. ومن حيث المبدأ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى:

• عرض نطاق أعلى بفضل اتصال أوسع بكثير؛
• استهلاك أقل لطاقة الإدخال والإخراج لأن الإشارات تقطع مسافة أقصر؛
• نقل أكثر كفاءة للبيانات في تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي واستدلالها؛
• تقليص المساحة الأفقية للحزمة، لأن مكدسات HBM لن تضطر إلى الالتفاف حول المعالج. 13732

ولهذا فإن zHBM ليست مجرد «HBM أسرع». إنها تغيّر العلاقة الفيزيائية بين الذاكرة والحوسبة. وستعتمد الفائدة الفعلية ليس على سرعة DRAM وحدها، بل أيضاً على طوبولوجيا الحزمة، وتصميم الواجهة، وتوزيع الطاقة، وطبيعة الحمل البرمجي ومدى حساسيته لحركة البيانات.

كيف تقارن الأهداف مع HBM5؟

تستخدم الأرقام المنشورة والمتداولة عن سامسونغ خطوط أساس ومقاييس مختلفة؛ لذلك ينبغي قراءتها باعتبارها ادعاءات منفصلة، لا باعتبارها نتيجة اختبار واحدة قابلة للمقارنة المباشرة:

• HBM5 مقارنة بـ HBM4E: تستهدف سامسونغ أداءً مضاعفاً، وتحسناً بنسبة 20% في الأداء لكل واط، وانخفاضاً بنسبة 20% في المقاومة الحرارية. وتضع بعض التقارير الإنتاج الضخم في حدود عام 2028، لكن HBM5 لا تزال جيلاً مدرجاً في خارطة الطريق وليست معياراً إنتاجياً واسع الترسخ. 4101214
• zHBM مقارنة بـ HBM4E: أوردت مقارنة مرتبطة بفعاليات Hot Chips خفضاً بنحو 70% في طاقة DRAM وزيادة تتجاوز 2.3 مرة في عرض نطاق DRAM. 111
• أهداف zHBM بعيدة المدى: عرضت سامسونغ أيضاً أهدافاً تصل إلى 8 أضعاف الأداء، وثلاثة أضعاف الأداء لكل واط، وخفض المقاومة الحرارية بنسبة تتراوح بين 75% و90% مقارنة بـ HBM4E. 21314

ولا يعني الفرق بين «2.3 مرة في عرض النطاق» و«8 مرات في الأداء» وجود تناقض تلقائياً. فعرض النطاق، وطاقة DRAM، وأداء التطبيق، والأداء لكل واط، مقاييس مختلفة وقد تستند إلى إعدادات وتكوينات متباينة. ولم تنشر سامسونغ في المواد المتاحة منهجية كافية للتوفيق المستقل بين جميع الأرقام؛ لذلك ينبغي التعامل معها كأهداف معمارية، لا كمعيار قياس واحد. 11014

لماذا تنسجم الخطة مع استراتيجية CUBE؟

تصف سامسونغ CUBE بأنها استراتيجية تقوم على أربعة محاور: السعة (Capacity)، والاستفادة أو الاستخدام الأمثل (Utilization)، وعرض النطاق (Bandwidth)، والكفاءة (Efficiency). وترى الشركة أن أنظمة الذكاء الاصطناعي لا تحتاج إلى واجهات ذاكرة أسرع فحسب، بل إلى وضع الذاكرة واستخدامها بذكاء أكبر ضمن بنية ثلاثية الأبعاد. 257

وتتطابق مراحل HBM الثلاث مع هذه المحاور على النحو الآتي:

• السعة: يمكن لتوسعة الذاكرة عبر القالب الأساسي ربط طبقات إضافية من الذاكرة، بينما يزيد التكديس العمودي الكثافة من دون توسيع مساحة الحزمة أفقياً. 418
• الاستخدام الأمثل: قد تجعل القياسات اللحظية ومنطق التحكم والمعالجة الانتقائية قرب الذاكرة السعة وعرض النطاق الحاليين أكثر فائدة لأحمال محددة. 1827
• عرض النطاق: تقلل الاتصالات العمودية المباشرة المسافة بين الحوسبة والذاكرة، وتتيح كثافة أعلى لواجهات الإدخال والإخراج. 37
• الكفاءة: قد يؤدي تقليل حركة البيانات وكلفة الواجهة إلى خفض استهلاك الطاقة، فيما يساعد الرصد الحراري الأفضل على تشغيل النظام بالقرب من حدوده بأمان أكبر. 1511

وعليه، تمثل zHBM أوضح تعبير عن نهج سامسونغ في ذاكرة المحور Z: البناء إلى الأعلى لزيادة الكثافة وتقليل مسافة الاتصال، بدلاً من الاستمرار في توسيع حزمة 2.5D جنباً إلى جنب. 713

تحديات هندسية لا تزال أمام سامسونغ

الإدارة الحرارية

يؤدي وضع معالج عالي الاستهلاك أسفل مكدس DRAM إلى تعقيد التخلص من الحرارة، لأن قالب الحوسبة يصبح أبعد عن مسار التبريد، بينما يجب أن تظل DRAM ضمن نطاق حراري مقيد نسبياً. لذلك فإن خفض المقاومة الحرارية الذي تتحدث عنه سامسونغ هو هدف تصميمي، وليس فائدة مضمونة لمجرد استخدام التكديس الثلاثي الأبعاد. وسيتعين على الشركة وشركائها في التصنيع إثبات إمكانية الجمع بين الأداء والاعتمادية ومتطلبات التبريد داخل حزمة إنتاجية. 1419

الربط والمحاذاة ومردود التصنيع

تحتاج البنية الثلاثية الأبعاد المباشرة إلى ربط ومحاذاة بالغَي الدقة عبر واجهات كبيرة. وستزداد أهمية ترقيق الرقاقات، ودمج الوصلات العمودية عبر السيليكون (TSV)، والتحكم في الالتواء، وإدارة العيوب، وتحقيق مردود مرتفع أثناء الربط كلما جرى وصل المعالج والذاكرة فعلياً.

وقد يؤثر وجود عيب في أي من جانبي الحزمة على قيمة التجميع الكامل، ما يرفع أهمية اختبار القوالب السليمة، وآليات الإصلاح، وإتاحة الاختبار قبل الربط وبعده. كما أن اتجاه سامسونغ إلى إضافة وظائف اعتمادية واختبار ذاتي في القالب الأساسي يوضح مدى ترابط التغليف والاختبار مع المعمارية نفسها. 2728

توصيل الطاقة وسلامة الإشارة

حتى الواجهة العمودية فائقة الاتساع تحتاج إلى توصيل مستقر للطاقة، وتوقيت ومزامنة دقيقين، وتحكم في الضوضاء. ولا يضمن عرض النطاق النظري الأعلى أداءً أفضل للتطبيق إذا حدّت سلامة الطاقة أو الاختناق الحراري أو جودة الإشارة من التشغيل المستمر.

ارتفاع المكدس والقيود الميكانيكية

قد تؤدي إضافة طبقات عمودية إلى زيادة سماكة الحزمة والإجهاد الميكانيكي وتعقيد مسار التبريد. وسيحتاج التصميم النهائي إلى تحقيق توازن بين السعة وعرض النطاق من جهة، وارتفاع المكدس والالتواء وقابلية التصنيع وحدود الركيزة واللوحة الأم من جهة أخرى.

التصميم المشترك بين المعالج والذاكرة

يمكن دمج HBM التقليدية نسبياً باعتبارها مكوّناً للذاكرة يتمتع بدرجة من النمطية. أما aHBM، وبالأخص zHBM، فتتطلب تنسيقاً وثيقاً بين المسرّع، ومنطق القالب الأساسي، والحزمة، والبرمجيات الثابتة، وبيئة التشغيل، ومكدس البرمجيات.

ويجب تصميم الواجهات، وتوزيع مسؤوليات التحكم، والاتساق، ومعالجة الأعطال، والعمليات القريبة من الذاكرة معاً. وقد يؤدي ذلك إلى تحسين التخصص، لكنه قد يجعل النظام أقل قابلية للتبادل مقارنة بالتصاميم المعتمدة على HBM التقليدية.

التوقيت التجاري وتبني المنظومة

لا تزال zHBM مفهوماً مستقبلياً، وتشير التقارير إلى أن تسويقها قد يبدأ بعد عام 2029. وسيعتمد الجدول الزمني ووعود الأداء على نضج تقنيات التغليف، وتبني العملاء، والمعايير، ومردود التصنيع، والتكلفة. 8914

الخلاصة العملية

يمكن فهم خارطة سامسونغ باعتبارها نقلاً تدريجياً للذكاء نحو مكدس الذاكرة:

1. cHBM: استعادة مساحة من المسرّع وتخفيف عبء الواجهة والتحكم عنه.
2. aHBM: تحويل القالب الأساسي إلى نظام فرعي للذاكرة يتمتع بالمراقبة وقابلية التوسعة وبعض إمكانات البرمجة الانتقائية.
3. zHBM: دمج الحوسبة والذاكرة فعلياً عبر وضع المعالج أسفل مكدس DRAM.

وقد تكون المكاسب المحتملة كبيرة: طاقة أقل للاتصال، ومساحة أكبر لمنطق المسرّع، وعرض نطاق أكثر كثافة، وأداء أفضل لكل واط. لكن المرحلة الأخيرة تنقل أصعب المشكلات من تصميم واجهة الذاكرة إلى الهندسة الحرارية، والربط، ومردود التصنيع، والاختبار، والتصميم المشترك للنظام.

في الوقت الحالي، تبدو zHBM اتجاهاً طموحاً تدعمه أهداف معلنة، لا دليلاً نهائياً على أن حزمة ذكاء اصطناعي ثلاثية الأبعاد إنتاجية ستتمكن بالفعل من تحقيق هذه الأرقام.