مُجمِّع السيليكون

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

مُجمِّع السيليكون هو أداة متخصصة في أتمتة تصميم الإلكترونيات (EDA) تُؤتمت عملية إنشاء تصميم الدوائر المتكاملة (IC) انطلاقًا من وصف سلوكي عالي المستوى. تأخذ الأداة مواصفات، غالبًا ما تكون مكتوبة بلغة برمجة عالية المستوى مثل C++ أو لغة خاصة بمجال معين (DSL)، وتُنشئ مجموعة من ملفات التخطيط (مثل GDSII ) التي يمكن إرسالها إلى مصنع أشباه الموصلات للتصنيع. [ 1 ]

يتمثل الهدف الرئيسي لمترجم السيليكون في رفع مستوى تجريد التصميم، مما يسمح للمهندسين بالتركيز على الوظائف المطلوبة للدائرة بدلاً من التفاصيل الدقيقة لتنفيذها. هذه العملية، التي تُسمى أحيانًا ترجمة الأجهزة ، تزيد بشكل كبير من إنتاجية التصميم، على غرار كيف حررت مترجمات البرامج الحديثة المبرمجين من كتابة كود التجميع . [ 2 ]

تاريخ

تم وصف مفهوم مُجمِّع السيليكون لأول مرة بشكل رسمي في عام 1979 من قبل ديفيد ل. يوهانسن في أطروحته للدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، تحت إشراف مُشرفه كارفر ميد . [ 3 ] أدى هذا العمل إلى تأسيس شركة Silicon Compilers Inc. (SCI) في عام 1981 من قبل يوهانسن وميد وإدموند ك. تشينغ.

كان من أوائل النجاحات الكبيرة لهذا النهج تصميم شريحة تحكم وصلة بيانات الإيثرنت عام 1982. انتقل المشروع من مرحلة وضع المواصفات إلى مرحلة الإنتاج النهائي في غضون خمسة أشهر فقط، وهو ما يمثل تسارعًا ملحوظًا في دورة التصميم آنذاك. [ 4 ] بعد ذلك بفترة وجيزة، في عامي 1983-1984، صمم فريق SCI شريحة مسار البيانات لجهاز DEC MicroVAX في سبعة أشهر. احتوت الشريحة على 37000 ترانزستور، وهو مستوى من التعقيد كان يتطلب عادةً حوالي ثلاث سنوات للتصميم اليدوي. [ 5 ]

عملية التجميع

تقوم عملية تجميع السيليكون بتحويل الوصف عالي المستوى إلى تخطيط مادي من خلال عدة مراحل رئيسية.

توليف عالي المستوى

تبدأ العملية بوصف سلوكي للأجهزة، يُكتب غالبًا بلغة مثل C أو C++ أو SystemC. تُعرف هذه المرحلة باسم توليف المستوى العالي (HLS)، حيث تُترجم الشفرة عالية المستوى إلى تمثيل هيكلي، عادةً ما يكون وصفًا على مستوى نقل السجلات (RTL). يُمكّن توليف المستوى العالي المصممين من استكشاف بنى مختلفة بسرعة عن طريق تعديل الشفرة المصدرية، بدلًا من إعادة كتابة شفرة RTL يدويًا. [ 2 ]

التمثيل الوسيط

لسد الفجوة بين لغات البرمجة عالية المستوى وتفاصيل الأجهزة منخفضة المستوى، غالبًا ما تستخدم المترجمات تمثيلًا وسيطًا (IR). يوفر التمثيل الوسيط تنسيقًا موحدًا يسمح بإجراء تحسينات معيارية تركز على الأجهزة. وقد أدخلت مشاريع المصادر المفتوحة الحديثة تمثيلات وسيطة متخصصة لتحسين عملية الترجمة.

  • CIRCT (Circuit IR for Compilers and Tools) هو مشروع قائم على LLVM يهدف إلى إنشاء بنية تحتية مشتركة لأدوات تصميم الأجهزة. يوفر المشروع مجموعة من نماذج IR المعيارية (تُسمى "اللهجات") لتمثيل مستويات مختلفة من تجريد الأجهزة، مما يُحسّن من التنسيقات التقليدية الأقل مرونة مثل Verilog. [ 6 ] [ 7 ]
  • Calyx عبارة عن وسيط تمثيلي مصمم لتمكين عمليات التحسين التي تتطلب معلومات هيكلية ومعلومات عن تدفق التحكم. يتميز بتمثيل مقسم فريد من نوعه، حيث يجمع بين لغة هيكلية شبيهة بلغة الأجهزة ولغة تحكم شبيهة بلغة البرمجيات (مع حلقات وشروط)، مما يسمح بإجراء تحسينات قوية ومخصصة للأجهزة يصعب تنفيذها على الوسائط التمثيلية التقليدية. [ 8 ]

توليف المنطق

تأخذ مرحلة توليف المنطق وصف RTL وتحوله إلى قائمة توصيلات على مستوى البوابات . هذه القائمة عبارة عن خريطة تفصيلية للبوابات المنطقية البسيطة (مثل AND و OR و NOT) والوصلات بينها التي تُنفذ الوظائف المحددة في RTL.

التصميم المادي

التصميم المادي هو المرحلة النهائية، حيث يتم تحويل قائمة التوصيلات المجردة على مستوى البوابات إلى تخطيط هندسي. يحدد هذا التخطيط الموقع الدقيق لكل مكون وسلك على الشريحة النهائية. تتضمن هذه المرحلة عدة خطوات معقدة:

  • تخطيط المكونات : يتم تخطيط الترتيب العام للوحدات الوظيفية الرئيسية على الشريحة. تحدد هذه الخطوة حجم الشريحة وشكلها، وهي بالغة الأهمية للأداء واستهلاك الطاقة. غالبًا ما تتضمن عملية التحسين خوارزميات استكشافية لاستكشاف مساحة التصميم الواسعة. [ 9 ]
  • التموضع : يتم تعيين البوابات المنطقية الفردية والخلايا القياسية من قائمة الشبكة إلى مواقع محددة على الشريحة.
  • التوجيه : يتم إنشاء الأسلاك المادية التي تربط المكونات الموضوعة. هذه مهمة بالغة التعقيد، خاصة مع تقنيات المعالجة الحديثة التي تتضمن عددًا كبيرًا من قواعد التصميم المعقدة. [ 10 ]

نماذج التصميم والتحسين

تجميع ذكي

تطورت برامج تجميع الدوائر الإلكترونية السيليكونية المبكرة لتشمل إمكانيات أكثر تطوراً لاستكشاف التصميم. وقد أدخل مفهوم "التجميع الذكي" نموذجاً تصميمياً يفصل بين عملية اتخاذ القرار وعملية التركيب. في هذا النموذج، يستخدم المصممون أسلوب "المقابض والمؤشرات".

  • المقاييس هي مقاييس جودة التصميم، مثل مساحة الشريحة والتكلفة والأداء، والتي يتم إنشاؤها بواسطة المترجم.
  • المقابض هي معلمات وقيود عالية المستوى يمكن للمصمم تعديلها، مثل عدد وحدات المعالجة أو مستوى خطوط الأنابيب .

يُمكّن هذا المصمم البشري أو النظام الخبير من استكشاف المفاضلات عن طريق ضبط المقابض ومراقبة التأثير على المؤشرات، دون الحاجة إلى فهم التفاصيل الدقيقة لعملية التركيب. [ 1 ]

دور الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي

تُدمج مُجمّعات السيليكون الحديثة بشكل متزايد الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لإدارة التعقيد الهائل لتصميم الرقائق. تُستخدم هذه التقنيات لأتمتة وتحسين مراحل مختلفة من عملية التجميع، وخاصة التصميم المادي. على سبيل المثال، استُخدم التعلم العميق المعزز لحل مشكلات تخطيط الرقائق وتحديد مواقع المكونات، حيث يتعلم نظام الذكاء الاصطناعي من خلال التجربة كيفية ترتيب المكونات على الرقاقة بكفاءة تفوق العديد من الخبراء البشريين والأدوات الآلية التقليدية. [ 11 ] [ 12 ]

مقارنة مع تصميم RTL اليدوي

يمثل استخدام المترجمات السيليكونية مفاضلة أساسية بين إنتاجية التصميم والجودة النهائية للأجهزة.

المزايا :

  • زيادة الإنتاجية : تتمثل الفائدة الرئيسية في تقليل وقت التصميم بشكل كبير. فقد وجدت دراسة أجريت عام 2018 وشملت العديد من المشاريع أن استخدام تقنية HLS قلل وقت التطوير إلى حوالي ثلث الوقت اللازم للتصميم اليدوي RTL. وهذا يعني أن المصمم يحقق، في المتوسط، أداءً أعلى بمقدار 4.4 مرة لكل ساعة تصميم. [ 2 ]
  • استكشاف مساحة التصميم بسهولة أكبر : نظرًا لإمكانية إجراء التغييرات على مستوى عالٍ من التجريد، يمكن للمهندسين تجربة بنى وخوارزميات مختلفة بسرعة أكبر بكثير.

العيوب :

  • جودة النتائج  : قد يكون للتجريد ثمن. فالتصاميم المُولَّدة بواسطة أدوات توليف الدوائر عالية المستوى (HLS) غالبًا ما تكون أقل أداءً وتستهلك مساحةً أكبر على الشريحة وطاقةً أكثر من تصميم RTL المُعدَّل يدويًا. وقد وجدت دراسةٌ أُجريت عام 2018 أن تصاميم HLS تستهلك، في المتوسط، موارد أكثر بنسبة 41% على مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) مقارنةً بنظيراتها المُعدَّلة يدويًا على RTL. [ 2 ] ومع ذلك، فإن هذه الفجوة تتقلص مع تحسُّن تقنية المُترجمات.

حركة المصادر المفتوحة

في السنوات الأخيرة، شهد مجال تجميع السيليكون دفعة كبيرة نحو الأدوات مفتوحة المصدر والتطوير التعاوني، بهدف إضفاء الطابع الديمقراطي على تصميم الرقائق وتسريع الابتكار.

  • مشروع CIRCT : أُطلق مشروع CIRCT (التمثيل الوسيط للدوائر للمترجمات والأدوات) كجزء من منظومة LLVM، ويهدف إلى تطبيق مبادئ تصميم المترجمات الحديثة على الأجهزة. من خلال توفير بنية تحتية معيارية مشتركة، يسعى CIRCT إلى إنهاء تشتت أدوات تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) وتعزيز مجتمع حول مجموعة مشتركة من الأدوات القوية والقابلة لإعادة الاستخدام، على غرار ما فعلته LLVM لتطوير البرمجيات. [ 7 ] [ 13 ]
  • SiliconCompiler : هو نظام بناء مفتوح المصدر يُؤتمت عملية تجميع رقائق السيليكون بالكامل، بدءًا من شفرة المصدر وصولًا إلى ملفات GDSII. يهدف إلى توحيد عملية التجميع من خلال توفير إطار عمل معياري ذي مخطط وواجهة برمجة تطبيقات موحدة. يتيح ذلك دمج أدوات ومجموعات تصميم العمليات (PDKs) وتصاميم مختلفة بسلاسة، مما يُبسط مهمة بناء الرقاقة المعقدة. [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. بانغرلي ، ب.م .؛ غاجسكي، د.د. (نوفمبر 1987). "أدوات تصميم لتجميع السيليكون الذكي". معاملات IEEE في التصميم بمساعدة الحاسوب للدوائر والأنظمة المتكاملة . 6 (6): 1098-1112 . doi : 10.1109/TCAD.1987.1270350 . ISSN 1937-4151 . 
  2. 1 2 3 4 لاهتي، ساكاري؛ سيوفال، بانو؛ فان، جارنو؛ هامالاينن، تيمو د. (مايو 2019). "هل وصلنا بعد؟ دراسة حول حالة التوليف عالي المستوى". معاملات IEEE في التصميم بمساعدة الحاسوب للدوائر والأنظمة المتكاملة . 38 (5): 898-911 . Bibcode : 2019ITCAD..38..898L . doi : 10.1109/TCAD.2018.2834439 . ISSN 1937-4151 . 
  3. ↑ يوهانسن، ديف (1998). "مكعبات بريستل: مُجمِّع سيليكوني" . أوراق بحثية حول خمسة وعشرين عامًا من أتمتة التصميم الإلكتروني . ص 195-196 . doi : 10.1145/62882.62903 . ISBN  0-89791-267-5.
  4. ↑ إدموند ك. تشينغ، "تصميم شريحة تحكم وصلة بيانات إيثرنت"، المؤتمر الدولي السادس والعشرون لجمعية IEEE للحاسبات، COMPCON Spring 83، سان فرانسيسكو، 25 فبراير - 3 مارس 1983، ص 157-160.
  5. ↑ "مترجم السيليكون يسمح لمهندسي الأنظمة بتصميم رقائق VLSI الخاصة بهم"، مقال بقلم ستيفن سي. جونسون من شركة Silicon Compilers Inc. في مجلة "Electronic Design"، 4 أكتوبر 1984، الصفحات 167-181.
  6. ↑ "CIRCT" . circt.llvm.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-06-2025 .
  7. 1 2 لاتنر، كريس؛ لينهارث، أندرو (17 نوفمبر 2021). سيركت: الارتقاء بتطوير الأجهزة من القرن العشرين (ملف PDF) . اجتماع مطوري LLVM.
  8. ↑ نيغام، راشيت؛ توماس، صموئيل؛ لي، تشيجينغ؛ سامبسون، أدريان (17 أبريل 2021). "بنية تحتية للمترجم لمولدات المسرعات" . وقائع المؤتمر الدولي السادس والعشرين لجمعية آلات الحوسبة حول الدعم المعماري للغات البرمجة وأنظمة التشغيل . ASPLOS '21. نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: جمعية آلات الحوسبة. الصفحات 804-817 . arXiv : 2102.09713 . doi : 10.1145/3445814.3446712 . ISBN  978-1-4503-8317-2.
  9. ↑ سينغ، راجندرا بهادور؛ باغيل، أنوراغ سينغ؛ أغاروال، أيوش (مارس 2016). "مراجعة حول تحسين تخطيط الدوائر المتكاملة واسعة النطاق باستخدام خوارزميات ما وراء الاستدلال". المؤتمر الدولي لعام 2016 حول التقنيات الكهربائية والإلكترونية والتحسينية (ICEEOT) . الصفحات 4198-4202 . doi : 10.1109/ICEEOT.2016.7755508 . ISBN  978-1-4673-9939-5.
  10. ↑ بوسر، غراسيلي؛ يونغ، إيفانجلين إف واي؛ هيلد، ستيفان؛ لي، يي-لانغ؛ بان، ديفيد زد. (13 أبريل 2022). "التحديات والأساليب في توجيه الدوائر المتكاملة واسعة النطاق" . وقائع الندوة الدولية للتصميم الفيزيائي لعام 2022. ISPD '22. نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: رابطة آلات الحوسبة. الصفحات 185-192 . doi : 10.1145/3505170.3511477 . ISBN  978-1-4503-9210-5.
  11. ↑ مالهوترا، أرتشيكا؛ سينغ، أديتي (مارس 2022). "تطبيق الذكاء الاصطناعي في مجال الدوائر المتكاملة واسعة النطاق: مراجعة". المؤتمر الدولي الثاني لعام 2022 حول تقنيات الطاقة والتحكم والحوسبة (ICPC2T) . الصفحات 1-5 . doi : 10.1109/ICPC2T53885.2022.9776845 . ISBN  978-1-6654-5858-0.
  12. ↑ وي، تشينغيه (يونيو 2025). "مراجعة حول الخوارزميات الاستكشافية والتعلم المعزز لتخطيط الدوائر المتكاملة واسعة النطاق" . المجلة الدولية للهندسة الأساسية . 11 (6): 462-470 . doi : 10.6919/ICJE.202506_11(6).0050 .
  13. ↑ ديمي، جون؛ شويكي، فابيان؛ أورباخ، مايك؛ يونغ، أندرو (2021). رسم خريطة CIRCT: المشهد الحالي والمستقبلي (ملف PDF) . اجتماع مطوري LLVM.
  14. ↑ "مرحباً بكم في وثائق SiliconCompiler! — دليل SiliconCompiler الإصدار 0.33.2" . docs.siliconcompiler.com . تاريخ الاطلاع: 14 يونيو 2025 .