تحويل الأسابيع إلى ساعات – كيف يغيّر الذكاء الاصطناعي بالفعل هندسة الرقائق الدقيقة

العصر التكنولوجي الحديث يزدهر بفضل الاستخدام الفعال للرقائق الدقيقة. من المتوقع أن ينمو سوق الرقائق الدقيقة العالمي من حوالي US$21.56 مليار في 2022 إلى ما يقرب من US$47 مليار بحلول 2030 بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 10٪.

السبب في نمو الرقائق الدقيقة بهذا السرعة هو أنها تشغّل جميع الإلكترونيات التي نراها حولنا. وعندما نقول إلكترونيات، فإن ذلك لا يقتصر على الحواسيب فحسب، بل يشمل أيضًا الهواتف الذكية، ومفاتيح الشبكات، والأجهزة المنزلية، ومكونات السيارات والطائرات، والتلفزيونات، والمضخمات، وأجهزة إنترنت الأشياء، والعديد من الأنظمة الإلكترونية الأخرى. 

المعروفة أيضًا باسم الشريحة أو شريحة الحاسوب أو الدائرة المتكاملة، تُعد الرقاقة الدقيقة وحدة من الدوائر المتكاملة تُصنع على مقياس ميكروسكوبي باستخدام مادة شبه موصلية، مثل السيليكون أو الجرمانيوم. تُصمم الرقائق الدقيقة بتعقيد كبير بحيث قد تشمل عادةً أنواعًا محددة من المكونات، مثل الترانزستورات، والمقاومات، والمكثفات، والثنائيات، بملايين أو حتى مليارات. 

هذه مكونات صغيرة جدًا تُقاس بالنانومتر. تتعامل تصميمات الرقائق الدقيقة بمستوى دقة عالٍ لدرجة أن شركة IBM في عام 2021 استطاعت تقديم رقاقة دقيقة تعتمد على تقنية 2 نانومتر، أصغر من عرض خيط DNA البشري. 

التقدم السريع في تكنولوجيا الرقائق الدقيقة حافظ على توسيع آفاقها باستمرار. ظهرت رقائق دقيقة متخصصة لإدارة الإشارات عند تقاطع التكنولوجيا اللاسلكية المتقدمة. ومع ذلك، فإن هذه الخيارات المكلفة في التصميم تعمل على مبادئ التصغير والهندسة المتقدمة. 

الآن، قام فريق من المهندسين المتعاونين من جامعة برينستون للهندسة ومعهد تكنولوجيا الهند (IIT) بالاستفادة من الذكاء الاصطناعي لتقليل تكلفة ووقت تصميم هذه الرقائق التي ستلبي الطلب المتزايد على سرعات وأداء لاسلكي أفضل. في الفقرة التالية، سنغوص أعمق في هذا البحث المبتكر. 

الذكاء الاصطناعي يخلق هياكل كهرومغناطيسية معقدة والدوائر المرتبطة بها في الرقائق الدقيقة

توصل الباحثون إلى منهجية لتمكين الذكاء الاصطناعي من إنشاء هياكل كهرومغناطيسية معقدة والدوائر المرتبطة بها في الرقائق الدقيقة. قبل هذا الاختراق، كان من الممكن أن يستغرق تحقيق نفس النتائج أسابيع من العمل المتخصص عالي المهارة. الآن، يمكن إنجاز ذلك في ساعات. 

لتوضيح ما يمكن أن يحققه البحث بمصطلحات علمية متقدمة، عرض الباحثون نهج تصميم عكسي عالمي للهياكل الكهرومغناطيسية المعقدة متعددة المنافذ ذات الشكل العشوائي، مع خصائص إشعاعية وتشتتية مصممة بالتوازي مع الدوائر النشطة.

لتحقيق هدفه، استخدم الباحثون نماذج تعتمد على التعلم العميق وعرضوا توليفًا مع عدة أمثلة لهياكل موجية ملليمترية سلبية معقدة ودوائر نطاق واسع مدمجة من الطرف إلى الطرف في نطاق الموجات المليمترية. المنهجية العكسية المقدمة، التي يمكن أن تنتج التصاميم في دقائق، قد تكون تحويلية في فتح مساحة تصميم جديدة كانت غير متاحة سابقًا، وفقًا للباحثين. 

وفقًا لكاوشيك سينغوبتا، الباحث الرئيسي، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب، ومشارك في إدارة NextG، برنامج شراكة الصناعة في برينستون لتطوير الاتصالات من الجيل التالي:

نحن نبتكر هياكل معقدة وتبدو عشوائية الشكل، وعند ربطها بالدوائر، تُنتج أداءً لم يكن ممكنًا من قبل. لا يستطيع البشر فهمها، لكنها يمكن أن تعمل بشكل أفضل.

يجعل البحث من الممكن للمهندسين جعل هذه الدوائر متوافقة مع عمليات أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. تصبح قابلة للتشغيل عبر نطاق تردد واسع بشكل كبير. يساعد استخدام الذكاء الاصطناعي في توليف الهياكل المعقدة بطبيعتها في دقائق. كان تحقيق نفس النتائج يتطلب عادةً خوارزميات تقليدية لأسابيع. 

أثناء توضيح دور الذكاء الاصطناعي في جعل هذا التصميم الفعال ممكنًا، قال أدي خانخوجي، المؤلف المشارك وأستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية في IIT مدراس، ما يلي:

الذكاء الاصطناعي لا يسرّع فقط محاكاة الكهرومغناطيسية المستهلكة للوقت، بل يتيح أيضًا استكشاف مساحة تصميم لم تُستكشف من قبل ويقدم أجهزة عالية الأداء مذهلة تتعارض مع القواعد العامة والحدس البشري.

وفقًا للبروفيسور سينغوبتا، تجمع التصاميم التقليدية بين الدوائر والعناصر الكهرومغناطيسية قطعةً بقطعة. تعديل هذه التصاميم الهيكلية يساعد على دمج خصائص جديدة. يعتقد سينغوبتا أنه مع ظهور الذكاء الاصطناعي في المشهد، الخيارات أصبحت أكبر بكثير مقارنة بالنظام السابق الذي كان يقتصر على طريقة محدودة للقيام بنفس الشيء. 

المكان الذي يحدث فيه الفرق هو في المنظور. غالبًا ما تمنع الهندسة المعقدة لدارات الرقاقة المصممين البشر من تجربة تصاميم مبتكرة. عادةً لا يحاول المصممون البشر فهم مستوى التعقيد الذي تنطوي عليه هذه الدوائر. من ناحية أخرى، يرى الذكاء الاصطناعي الرقاقة ككيان واحد، مما يؤدي إلى ترتيبات غريبة لكنها فعّالة. 

على سبيل المثال، استكشف الباحثون الذكاء الاصطناعي لاكتشاف وتصميم هياكل كهرومغناطيسية معقدة تُصمم بالتوازي مع الدوائر لإنشاء مضخمات نطاق واسع. سيغوص البحث المستقبلي أعمق في ربط هياكل متعددة وتصميم رقائق لاسلكية كاملة باستخدام الذكاء الاصطناعي. 

في تلخيص إمكانات البحث، قال سينغوبتا ما يلي: “هذا مجرد قمة جبل الجليد فيما يتعلق بما يحمله المستقبل لهذا المجال.” 

الرقائق المدعومة بالذكاء الاصطناعي تُحدث ثورة في العالم خارج مختبرات التكنولوجيا. إحدى الشركات التي كانت في طليعة هذه الثورة هي Nvidia (NVDA ). قبل عام تقريبًا، وسّعت الشركة ريادتها في الذكاء الاصطناعي بإطلاق “شريحة سوبر” جديدة. سنستعرض الآن ما يجعل هذه الشريحة “سوبر” في الفقرة التالية.

انقر هنا لتتعرف على الرقائق الشمية الحيوية المقلدة.

1. Nvidia

جاء الإعلان الثوري من Nvidia خلال مؤتمر التطوير السنوي للشركة حول سلسلة شرائح الذكاء الاصطناعي Blackwell. تهدف هذه السلسلة من شرائح الذكاء الاصطناعي الطموحة إلى تمكين مراكز البيانات المتقدمة التي تدرب نماذج الذكاء الاصطناعي المتقدمة، مثل أحدث أجيال GPT وClaude وGemini. 

تُعد Blackwell B200 ترقية على شريحة H100 AI الخاصة بالشركة. ومع ذلك، تتخلف شرائح H100 AI عن عند تلبية متطلبات اليوم، التي تشغّل نماذج الذكاء الاصطناعي الضخمة. وفقًا للتقارير المنشورة، يتطلب تدريب نموذج ذكاء اصطناعي بحجم GPT-4 ما يصل إلى 8,000 شريحة H100 و15 ميغواط من الطاقة.

يمكن لهذا الحجم من الطاقة تشغيل حوالي 30,000 منزل بريطاني نموذجي. ومع ذلك، باستخدام الشرائح الجديدة للشركة، سيستغرق نفس عملية التدريب فقط 2,000 شريحة B200 و4 ميغواط من الطاقة.

في حين يعني ذلك تقليلًا كبيرًا في استهلاك الكهرباء، تكمن اللعبة الحقيقية في الجزء الثاني من خط Blackwell، شرائح GB200 Super التي تضغط شريحتين B200 على لوحة واحدة إلى جانب معالج Grace الخاص بالشركة لبناء نظام تقول Nvidia إنه يقدم “30 مرة الأداء” لمزارع الخوادم التي تشغّل، وليس تدرب، روبوتات الدردشة مثل Claude أو ChatGPT. 

شركة Microchip، المورد الرائد للدوائر المتكاملة الذكية والمتصلة والآمنة، تعمل أيضًا مع حلول NVIDIA. في نوفمبر من العام الماضي، أطلقت Microchip جهازها PolarFire® FPGA Ethernet Sensor Bridge الذي يعمل مع منصة معالجة المستشعر NVIDIA Holoscan. كان الهدف تمكين المطورين من بناء أنظمة معالجة مستشعرات مدفوعة بالذكاء الاصطناعي. 

تساعد منصة NVIDIA Holoscan على تبسيط تطوير ونشر تطبيقات الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء (HPC) على الحافة للحصول على رؤى في الوقت الفعلي وتدمج في منصة واحدة جميع الأنظمة المادية والبرمجية المطلوبة لبث المستشعرات منخفض الكمون والاتصال الشبكي. 

في حين تساعد NVIDIA الصناعة على الازدهار، تشير التقارير إلى أنها تنمو أيضًا بسرعة كبيرة. في 7 يناير 2025، صرح الرئيس التنفيذي لـ Nvidia، Jensen Huang، أن أداء شرائح الذكاء الاصطناعي لشركته يتقدم أسرع من المعدلات التاريخية التي حددها قانون مور، المعيار الذي قاد تقدم الحوسبة لعقود. 

ادعى هوانغ أن شرائح الذكاء الاصطناعي الخاصة بالشركة تتحرك بوتيرة متسارعة خاصة بها، حيث أن أحدث شريحة سوبر لمركز البيانات لديها أسرع بأكثر من 30 مرة لتشغيل أعباء الاستدلال الذكي مقارنة بالجيل السابق. أثناء شرح كيفية تحقيق Nvidia لهذه السرعة الهائلة، قال هوانغ:

يمكننا بناء الهندسة المعمارية، والرقاقة، والنظام، والمكتبات، والخوارزميات جميعًا في نفس الوقت. إذا فعلت ذلك، يمكنك التحرك أسرع من قانون مور لأنك تستطيع الابتكار عبر جميع طبقات التقنية.

وفقًا لهوانغ، فإن أحدث شريحة سوبر لمركز البيانات من Nvidia، GB200 NVL72، أسرع من 30 إلى 40 مرة في تشغيل أعباء الاستدلال الذكي مقارنة بأفضل شرائح Nvidia السابقة مبيعًا. تركز الشركة على إنشاء شرائح أكثر أداءً ستكون متاحة بأسعار أقل على المدى الطويل. 

الحل المباشر والفوري للحوسبة في وقت الاختبار، سواء من حيث الأداء أو القدرة على تحمل التكلفة، هو زيادة قدرتنا الحاسوبية.

– Huang

بشكل عام، كما يدعي هوانغ، شرائح الذكاء الاصطناعي من Nvidia اليوم أفضل بألف مرة مما كانت عليه قبل 10 سنوات. 

في السنة المالية 2024، ارتفع إيراد Nvidia بنسبة 126٪ إلى رقم قياسي قدره 60.9 مليار دولار. كان ربح GAAP للسهم المخفف 11.93 دولار، بزيادة 586٪ عن العام السابق. كان ربح Non-GAAP للسهم المخفف 12.96 دولار، بزيادة 288٪ عن العام السابق. بلغت هوامش الربح الإجمالي Non-GAAP 73.8٪.

2. Cadence

رائدة في تصميم الأنظمة الإلكترونية، توفر Cadence برامج وخوادم حاسوب متخصصة لشركتي Nvidia وApple. تدمج الشركة تقنية الذكاء الاصطناعي في منتجاتها لتحسين جودة المخرجات، إذ تعتقد أن الذكاء الاصطناعي يمكن أن يساعد في معالجة مشكلة تصميم أشباه الموصلات، التي أصبحت أكثر تعقيدًا مع تقدم التكنولوجيا بشكل أسي.

صرّح الرئيس التنفيذي أنيرود هدفجان مؤخرًا أن أدوات تصميم شرائح الذكاء الاصطناعي التي تقدمها الشركة توفر فوائد في الأداء والكثافة تشبه الانتقال إلى عقد عملية الجيل التالي دون الحاجة إلى الانتقال إلى عقد جديد. 

وبالتالي، من خلال الاستفادة من الذكاء الاصطناعي في تصميم الشرائح، تقوم Cadence بتحسين الطاقة والأداء والمساحة (PPA) للشرائح — وهي أهم المقاييس لصانعي الشرائح إلى جانب التكلفة، وتُؤتمت مهام مثل وضع وتوجيه وتصحيح الأخطاء، وتسد الفجوة في المواهب المتخصصة في تصميم الشرائح. 

من أجل هذه التحسينات، تقدم الشركة حلًا شاملًا للذكاء الاصطناعي التوليدي “من الشرائح إلى الأنظمة” الذي تدعي Cadence أنه يحقق زيادة إنتاجية تصل إلى 10 أضعاف مع تحسين الأداء عبر جميع مجالات التصميم. إجمالاً، تمتلك الشركة خمس منصات رئيسية للذكاء الاصطناعي: التناظرية، الرقمية، التحقق، PCB، وتحليل الحزم والأنظمة.

وفقًا لألبرت زينغ، مدير مجموعة هندسة البرمجيات العليا في مجموعة تصميم وتحليل الأنظمة في Cadence، صرح في مقابلة حديثة:

سيكون للذكاء الاصطناعي تأثير كبير من منظور الإنتاجية لأن استخدام مساعد ذكاء اصطناعي يمكنه استخراج البيانات من تجربة سابقة سيساعد في توجيه المهندسين أو المصممين الشباب لاتخاذ قرار أفضل بشأن تصميمهم أو إصلاحه.

قبل أكثر من عامين بقليل، أطلقت Cadence أول تقنية ذكاء اصطناعي توليدية في الصناعة تُدعى Voltus InsightAI، التي تحدد تلقائيًا مصدر انتهاكات EM-IR (الهجرة الكهرومغناطيسية وانخفاض الجهد) في بداية عملية التصميم، وهي مهمة تتطلب حسابًا مكثفًا. ثم تختار حلول Cadence وتطبق الإصلاحات الأكثر فعالية لتحسين PPA. 

في الأشهر الأخيرة، تعاونت Cadence مع TSMC لتعزيز الإنتاجية وتحسين أداء التصاميم المتقدمة المدفوعة بالذكاء الاصطناعي وكذلك الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3D-ICs) لتلبية ما تسميه “الطلب غير المسبوق” على حلول السيليكون المتقدمة التي يمكنها معالجة كميات هائلة من مجموعات البيانات والحسابات. وبذلك، أصبحت تدفقات التصميم المدفوعة بالذكاء الاصطناعي متاحة الآن لأحدث تقنيات TSMC N2P (فئة 2 نانومتر)، التي تقدم أداءً أعلى بنسبة 5٪ – 10٪، وتقنيات N3. 

الشركة التي تبلغ قيمتها السوقية 80.2 مليار دولار، والتي تُتداول أسهمها حاليًا بسعر 292.50 دولار، سجلت زيادة تقريبًا 20٪ في إيراداتها للربع المنتهي في سبتمبر. مع أكبر قفزة في ستة أرباع على الأقل، وصلت الإيرادات إلى 1.22 مليار دولار. الشركة في الواقع تراهن على ازدهار الذكاء الاصطناعي التوليدي لاستمرار دفع الطلب على منتجاتها، وبالتالي رفعت نقطة المنتصف لتوقعاتها السنوية المعدلة للربح إلى 5.90 دولار للسهم.

إلى جانب هذا الازدهار، يمكن لجيل Palladium الجديد من الحواسيب الفائقة من Cadence أيضًا أن يساهم في هذا النمو. بلغت هوامش التشغيل وفق معيار GAAP للربع 29٪، وحسب معيار Non-GAAP 45٪. كان ربح السهم المخفف وفق GAAP 0.87 دولار، وحسب Non-GAAP 1.64 دولار. كما أبلغت Cadence عن تراكم طلبات بقيمة 5.6 مليار دولار.

الخلاصة

إحدى أسرع التقنيات تقدمًا في هذا العقد هي ببساطة الذكاء الاصطناعي، الذي بدأ بالفعل يؤثر على الأعمال عبر الصناعات ومن المتوقع أن يساهم بأكثر من 15 تريليون دولار في الاقتصاد العالمي بحلول نهاية هذا العقد. الآن، يمكن لتكامل الذكاء الاصطناعي في تصميم الرقائق الدقيقة أن يساعد على تبسيط المهام أكثر، مما يفتح مستوىً آخر من الكفاءة والأداء والقابلية للتوسع.

انقر هنا لتتعرف على إنجاز الشريحة الكمومية الذي يثير الحماس لمستقبل الحوسبة.