تشریح مشخصات پردازنده گوگل تنسور: چرا پیکسل ۶ دارای یک تراشه سفارشی است و چگونه کار می‌کند؟

گوگل در ابتدای ماه آگوست، پیش‌نمایش از تراشه اختصاصی و سفارشی خود برای گوشی‌های پیکسل ۶ ارائه داد.

این شرکت در رویداد Pixel Fall Event خود که چند روز پیش برگزار شد؛ به طور کامل چیپ‌ست Tensor را معرفی کرد و آن را «بزرگ‌ترین نوآوری سخت‌افزاری تلفن همراه در تاریخ این شرکت» نامید.

چرا تنسور

گوگل اعلام کرده هدف از ساخت پردازنده Tensor، دستیابی به چیزی است که تلفن‌های هوشمند باید انجام بدهند. گوگل می‌خواهد به طور مستقیم پیشرفت‌های هوش مصنوعی را وارد گوشی‌های پیکسل کند و به چشم‌انداز خود درباره فناوری‌های همیشه در دسترس یعنی Ambient Computing برسد.

پردازنده تنسور به طور کامل در بخش سخت‌افزار گوگل متولد شده است و گوگل می‌گوید به طور کامل از ویژگی‌های هوشمندی که مورد نیاز هوش مصنوعی است؛ پشتیبانی می‌کند تا گوشی‌های پیکسل را در برابر رقبا متمایز کند.

گوگل می‌گوید اسمارت‌فون‌ها «یک دستگاه مرکزی برای سیستم‌های هوش محدوده‌ای» هستند. گوگل در مراسم Pixel Launch Event دوباره درباره «محاسبات محدوده‌ای» (Ambient Computing) صحبت کرد. آخرین باری که به یاد می‌آوریم گوگل درباره این مفهوم سخنرانی کرده است؛ مراسم معرفی گوشی‌های پیکسل ۴ در سال ۲۰۱۹ بود.

«ریک استرلو»؛ طی گفت‌وگویی با سایت ورج اشاره کرده بود که گوگل در سال ۲۰۱۷ متوجه شد رویکرد افزوده یک پردازنده هوش مصنوعی به یک گوشی برای هوش مصنوعی جوابگو نیست و باید یک پردازنده کامل SoC برای پیشبرد کارهای دلخواه خود بهینه‌سازی کند:

«پردازنده تنسور به طور خاص برای استفاده از آخرین پیشرفت‌های هوش مصنوعی گوگل در گوشی‌های تلفن همراه این شرکت ساخته شده است. اینجا زمینه‌ای است که سال‌ها از آن عقب‌ افتاده‌ایم و اکنون می‌توانیم فصل جدیدی در زمینه نوآوری تلفن هوشمند مبتنی بر هوش مصنوعی باز کنیم.»

تنسور CPU + GPU

گوگل در مراسم Pixel Launch Event به طور رسمی درباره جزئیات فنی و کاری پردازنده سفارشی تنسور صحبت کرد و گفت شامل دو هسته با کارایی بالای ARM Cortex-X1 با فرکاس کاری ۲.۸ گیگاهرتز است. به علاوه، دو هسته با کارایی متوسط A76 CPU در فرکانس ۲.۲۵ گیگاهرتز است. این پردازنده‌ها با فناوری ۵ نانومتری و نه ۷ نانومتری در کنار یکدیگر طراحیو چینش شدند و ۴ هسته پردازشی با کارایی پایین ولی مصرف انرژی موثر A55 نیز در این CPU قرار داده شده است.

رویکرد گوگل در استفاده از دو هسته X1 اجازه می‌دهد کارهای متوسط روی گوشی نیز روان‌تر و با قدرت بیشتری انجام شوند. در یک پردازنده معمولی، کارهایی مانند گوگل لنز با هسته‌های میانی انجام می‌شوند ولی اکنون در پردازنده تنسور این هسته‌های X1 هستند که می‌توانند پردازش‌های متوسط و رو به بالا را انجام بدهند و همین سناریو باعث کارآمدتر شدن گوشی می‌شود. در حالت واقعی، گوگل پیکسل ۶ حدود ۸۰ درصد سریع‌تری از گوگل پیکسل ۵ با تراشه اسنپدراگون ۷۶۵G می‌شود.

همچنین، یک پردازنده گرافیکی ۲۰ هسته‌ای روی پردازنده تنسور نصب شده است که به گفته گوگل «تجربه بازی برتری را برای محبوب‌ترین بازی‌های اندرویدی» ارائه می‌دهد. به گفته گوگل، این GPU حدود ۳۷۰ درصد سریع‌تر از پیکسل ۵ با پردازنده گرافیکی Adreno 620 است.

هسته امنیتی تنسور و Titan M2

هسته امنیتی تنسور یک زیرسیستم CPU است که باعث اجرای ایزوله برنامه‌ها و وظایف حساس و کنترل‌ها می‌شود. این هسته با تراشه امنیتی اختصاصی Titan M2 کار می‌کند که بخشی از پردازنده تنسور نیست اما گوگل از آن برای مقابله با حملات پیشرفته تجزیه و تحلیل الکترومغناطیسی، خرابی‌های ولتاژ و تزریق خطای لیزری استفاده می‌کند.

تراشه اصلی Titan M به همراه نرم‌افزارهای مبتنی بر آن، مانع از برگشت مجدد تلفن همراه به نسخه قدیمی‌تر اندروید می‌شود که همراه با آسیب‌پذیری‌های امنیتی است. همچنین، از باز شدن قفل بوت لودر جلوگیری کرده و رمزعبور قفل صفحه گوشی شما را تایید می‌کند.

TPU و ISP و Context Hub

پردازنده تنسور دارای یک موتور یادگیری ماشینی به نام Tensor Processing Unit نیز هست که توسط گروه Google Research برای Google Research سفارشی‌سازی شده است. مدل‌های ML فعلا به اوج نرسیدند و در یک مسیر حرکت به سوی تکامل یافتن هستند.

یک واحد Image Signal Processor یا ISP برای شتابدهی به الگوریتم‌های HDRNet نیز در پردازنده تنسور کاشته شده است. یک دلیل بزرگ برای پشتیبانی گوشی‌های پیکسل ۶ و پیکسل ۶ پرو از ویدئوهای +Live HDR در فرمت ۴K و نرخ ۶۰ فریم در ثانیه و دیگر راندمان‌هایی که گوگل آدرس داده است.

واحد Context Hub نیز یادگیری ماشینی در دامنه مصرف برق بسیار کم را ارائه می‌دهد. ویژگی‌هایی مانند صفحه‌نمایش همیشه روشن (AOD) و Now Playing و دیگر تجربه‌های کاربری هوش محدوده‌ای توسط این واحد مدیریت می‌شوند؛ بدون اینکه باتری خالی شود!

اکنون همه با هم یا محاسبات ناهمگن

همه این هسته‌ها با هم پردازنده تنسور گوگل را شکل می‌دهند. در حالی‌که گوگل «کارایی کلی و کارآمدی» را در اولویت قرار داده است ولی این پردازنده به طور خاص شامل برتری‌هایی در کارهای محاسباتی ناهمگن است که مستلزم همکاری بخش‌های مختلف SoC است. به عنوان مثال در گوگل لنز باید واحدهای CPU و GPU و ISP و TPU با یکدیگر برای یک کارآمدی بالا همکاری کنند.

«با پیچیده‌تر شدن اپلیکیشن‌های موبایل، آن‌ها باید روی چندین بخش از تراشه اجرا شوند که به آن محاسبات ناهمگن می‌گویند. برای دست یافتن به عملکرد خوب در این برنامه‌های موبایل پیچیده، باید تصمیماتی در سطح سیستم برای SoC گرفته می‌شد. ما تضمین کردیم که زیرسیستم‌های مختلف داخل پردازنده تنسور به خوبی با هم کار کنند؛ نه اینکه عناصر فردی را برای حداکثر سرعت بهینه‌سازی کرده باشیم.»

کارهایی که تنسور می‌تواند انجام بدهد

علاوه بر +Live HDR که رنگ‌ها را در ۴K و ۶۰ فریم در ثانیه دقیق‌تر و واضح‌تر می‌کند؛ تنسور بر سایر ویژگی‌های عکاسی و فیلم‌برداری مانند Motion Mode در دوربین‌های گوگل نیز تاثیرگذار است. ویژگی Action Pan می‌تواند پس‌زمینه را تار کند و ویژگی Long Exposure روی سوژه کار می‌کند.

در همین جال، تشخیص چهره در پیکسل ۶ دقیق‌تر و سریع‌تر کار می‌کند که علت آن زیر سیستم‌های یکپارچه است با مصرف انرژی نصف در مقایسه با پیکسل ۵ است.

دستیار صوتی در تنسور از پیشرفته‌ترین مدل تشخیص گفتار که تا کنون توسط گوگل منتشر شده است؛ استفاده می‌کند و باز هم شاهد مصرف باتری برابر با نصف گذشته هستیم. در اپلیکیشن‌های با زمان استفاده طولانی‌مدت مانند Recorder و Live Caption، دستورات صوتی با کیفیت بالا و بدون تخلیه سریع باتری استفاده می‌شوند.

قابلیت Live Translate گوگل تا ۱۸ درصد کیفیت ترجمه بهتری ارائه می‌دهد و سرعت تایپ صوتی آن افزایش پیدا کرده است. گوگل می‌گوید سطحی از پیشرفت را در این دستیار صوتی شاهد خواهید بود که حاصل چندین سال تحقیق و توسعه است.

همچنین گوگل تنسور، امکان Live Translate برای ترجمه زنده همزمان در ویدئوها و فیلم‌ها با استفاده از مدل‌های گفتاری و ترجمه روی دستگاه را فراهم می‌کند. در مقایسه با گوگل پیکسل ۴، مدل NMT یا neural machine translation روی دستگاه بهبودهای بزرگی داشته است؛ در حالی‌که مصرف باتری برابر با نصف گذشته دارد.

آینده تنسور

گوگل صحبتی از نسل‌های بعدی پردازنده سفارشی Tensor خود نکرده است ولی احتمالا این شرکت نسل بعدی را با افزودن یک شماره به آن ارائه خواهد کرد. همانند تراشه Titan M که اکنون شاهد Titan M2 هستیم.

شکی نیست که گوگل تراشه‌های سفارشی بیشتری برای اسمارت‌فون‌ها تولید خواهد کرد؛ همان‌طور که خود مدیران گوگل نیز اشاره کردند که تنسور یک پایه سخت‌افزاری برای سال‌های آینده است و تجربه‌های شخصی و مفیدتری روی گوشی‌های گوگل فراهم می‌کند.