تصور کنید سختافزاری ساخته شده باشد که تمام حفرههای امنیتی حافظه را قبل از وقوع میبندد و سرعت پردازش را ۲۰ برابر میکند، اما ۴۰ سال پیش از زمانش باشد. امروز، در حالی که غولهای فناوری برای خروج از بنبست مدلهای عمومی به سمت تراشههای تخصصی میروند، میراث یک شرکت تولید تجهیزات صوتی اسکاتلندی به نام Rekursiv دوباره زنده شده است. جایی در اعماق کانال Forth and Clyde، زیر لایههای لجن، جعبهای از سیلیکونهای سفارشی دفن شده است که تقریباً در مورد همه چیز درست پیشبینی کرده بود.
این روایت در زمانی مطرح میشود که صنعت در حال رها کردن پردازندههای همهمنظوره به نفع معماریهای دامنه-ویژه (Domain-Specific Architectures) است. برای دههها، جهان پیرو فلسفه RISC بود؛ یعنی دستورات ساده و حافظهٔ پنهان (Cache) سریع. اما با شکست قانون مور و نیاز شدید مدلهای زبانی بزرگ (LLM) — مثل کتابخانهداری که میلیاردها صفحه را خوانده و حالا با همان لحن کتابها جواب میدهد — به پردازشهای جبر خطی تخصصی، صنعت دقیقاً به همان باوری بازگشته است که ۴۰ سال پیش باعث مرگ Rekursiv شد. در واقع، اقتصاد سختافزاری که زمانی این ماشین را در هم کوبید، اکنون به طور کامل معکوس شده است.
همانطور که در تحلیلهای پیشین ما دربارهی تکامل شتابدهندههای سختافزاری اشاره کردیم، گذار از پردازندههای عمومی به ASICها، نتیجهی مستقیم اشباع شدن توان پردازشی CPUهاست. در مورد Rekursiv، این اقتصادِ سختافزاری حالا به نفع ایدههای جسورانه تغییر کرده است.
خاستگاه یک ماشین خلافجریان
شرکت محصولات لین (Linn Products) که توسط ایور تیفنبران در سال ۱۹۷۲ تأسیس شد، به دلیل تولید دستگاههای پخش صفحه صدای Sondek LP12 مشهور بود که هنوز هم توسط طرفدارانش به عنوان بهترین دستگاه پخش صفحه صدای تاریخ شناخته میشود. تیفنبران در اوایل دهه ۸۰ یک کارخانه مدرن در ایگلشام، جنوب گلاسکو، ساخت. کسبوکار او بر پایه دو دستگاه VAX-11/750 و دو دستگاه 11/780 اداره میشد، اما تیفنبران به تدریج از نرمافزارهایی که استفاده میکردند متنفر شد.
او سیستمی را متصور شد که در آن هر شیء فیزیکی در کارخانه — حتی تکتک گرامافونهایی که در مراحل مونتاژ، تست و خدمات پس از فروش حرکت میکردند — یک همزاد نرمافزاری داشته باشد تا تاریخچه کامل آن ثبت شود (به نقل از پانتین، مجله بایت، نوامبر ۱۹۸۸). او به دنبال پیوستگی دیجیتال کامل برای هر قطعه سختافزاری در خط تولید بود.
برای تحقق این رویا، لین برنامهنویسان متعددی و دیوید هارلند، مدرس علوم کامپیوتر دانشگاه گلاسگو را استخدام کرد. در حدود سال ۱۹۸۱، این تیم شروع به توسعه یک ابزار تخصصی برای مدیریت این چشمانداز شیءگرایانه از کارخانه کرد.
آنها با همکاری یکدیگر زبان LINGO را ساختند؛ یک زبان شیءگرا که مفاهیم Smalltalk را با سینتکس Algol ترکیب میکرد (این زبان را با زبان Lingo که هشت سال بعد ظاهر شد اشتباه نگیرید). وقتی مشخص شد LINGO روی سیستمهای VAX برای اتوماسیون هر چیزی بسیار کند است، تیفنبران نتیجه گرفت که مشکل از سختافزار است، نه نرمافزار. جالب اینجاست که هارلند و مهندس برونو بلوف، ایدهی بازطراحی نمونه اولیه به تراشههای سفارشی را زمانی که در یک قطار تاخیری در مسیر بازگشت از یک سمینار گیر کرده بودند، روی کاغذ کشیدند. هارلند بعدها به شوخی میگفت که Rekursiv در واقع «تقصیر راه آهن بریتانیا» بوده است.
مهندسی Rekursiv
در سال ۱۹۸۴، واحد «لین اسمارت کامپیوتینگ» (Linn Smart Computing) تشکیل شد. تیفنبران برادرش مارکوس را به عنوان مدیر عامل و هارلند را به عنوان مدیر فنی منصوب کرد. این سرمایهگذاری توسط سرمایه داخلی شرکت لین و مبلغی در حدود ۱۰ میلیون پوند از سوی وزارت تجارت و صنعت بریتانیا تامین شد.
پشته سختافزاری (Hardware Stack):
- تولید: تراشهها توسط شرکت LSI Logic با استفاده از فناوری ۱.۵ میکرون CMOS ساخته شدند.
- معماری: سیستم از چهار آرایه گیت (Gate Array) تشکیل شده بود که هر کدام ۲۹۹ پین داشتند.
- نامگذاری: با ادای احترام به محصولات صوتی ردهبالای لین (مانند Sondek، Ittok و Asak)، تراشهها را NUMERIK، LOGIK، OBJEKT و KLOK نامیدند.
آنچه Rekursiv را عجیب و متمایز میکرد، رد کامل دیدability آدرسها در معماری فوننویمان بود. در این سیستم، هیچ برنامهنویس یا کامپایلری نمیتوانست آدرس فیزیکی حافظه را ببیند. به جای آن، چهار مکانیسم رادیکال به کار گرفته شد:
مکانیسمهای هستهای:
- امنیت سختافزاری حافظه: هر شیء در زمان ایجاد، یک عدد ۴۰ بیتی دریافت میکرد. تراشه OBJEKT این اعداد را از طریق یک جدول صفحهبندی هششده (Hashed Pager Table) به مکانهای فیزیکی تبدیل میکرد. این تراشه نوع و محدوده هر دسترسی را در سطح سختافزار چک میکرد. اگر برنامهای سعی میکرد خارج از محدوده آرایه دسترسی پیدا کند یا یک ارجاع جعلی بسازد، ماشین به سادگی از انجام آن خودداری میکرد.
- مدیریت حافظه در سطح سیلیکون (Hardware Garbage Collection): چون فقط تراشه OBJEKT مکان واقعی دادهها را میدانست، اشیاء میتوانستند بدون تغییر در ارجاعها جابجا شوند. سیلیکون یک جمعکننده فشردهساز دو-فضایی (Two-space compacting collector) را پیاده کرده بود که اشیاء زنده را شناسایی کرده و آنها را به نیمه دیگر DRAM منتقل میکرد، در حالی که اجرای برنامه در لایهی بالاتر بدون هیچ اختلالی ادامه مییافت. این رویکرد سختافزاری برای مدیریت دادهها، یادآور تلاشهای مدرن برای کاهش نیاز به حافظه صنعتی از طریق مدیریت هوشمند SSD است تا محدودیتهای فیزیکی برداشته شود.
- ذخیرهساز تکسطحی پایدار: حافظه موقت (RAM) و دیسک به عنوان یک ذخیره واحد دیده میشدند. این کار تمایز بین ذخیرهسازی فرار (Volatile) و پایدار (Persistent) را از بین برد. اگر شیء مورد نیاز در DRAM نبود، پردازنده در میانهی اجرای دستور متوقف میشد تا یک پردازنده دیسک خارجی آن را واکشی کند و سپس طوری ادامه میداد که انگار هیچ اتفاقی نیفتاده است.
- مجموعه دستورات قابل بارگذاری: هیچ دستورالعمل ثابتی وجود نداشت. مجموعه دستورات یک اثر قابل بارگذاری (Loadable Artifact) بود که اجازه میداد ماشین برای یک زبان خاص شکل بگیرد. چون صفحهبندی (Paging) در سطحی پایینتر از اجرای دستورات قرار داشت، یک دستور میکروکد میتوانست به طور دلخواه پیچیده باشد و حتی خودش را صدا بزند — و نام «Rekursiv» (بازگشتی) از همینجا آمد.
تحققات فنی و پشتیبانی از زبانها
به دلیل عدم وجود مجموعه دستورات ثابت، Rekursiv مانند یک آفتابپرست برای زبانهای سطح بالا عمل میکرد. لین زبان C را تامین کرد، در حالی که جیمز لوتیان یک مجموعه دستورات برای Prolog را میکروکد کرد. گروهی از منچستر زبان Scheme را پیاده کردند و تیمی در ابردین زبان پایدار PS-algol را پورت کردند.
این انعطافپذیری اجازه میداد تا میانبرهای محاسباتی شدیدی ایجاد شود. برای مثال، عملیات «وحدتبخشی» (Unification) در Prolog میتوانست به عنوان یک دستور میکروکد واحد انجام شود. میکروکد اجازه میداد دستورات کپی-درخت بازگشتی ایجاد شوند که در آن دستور میتواند خودش را صدا بزند — رفتاری که در CPUهای متداول اکیداً ممنوع بود. یک نمونه در میکروکد، دستور MICRO$COPYTREE بود که برای مدیریت کپی بازگشتی درخت، خودش را فراخوانی میکرد و محدودیتهای استاندارد CPU را دور میزد.
برخورد با واقعیتهای اقتصادی
شرکت لین اعداد خیرهکنندهای را ادعا میکرد: ایجاد یک سلول CONS در هر دو میکروثانیه، انجام وحدتبخشی Prolog در یک دستور واحد، و سرعتهایی ۲۰ برابر سریعتر از زبان Lisp روی ایستگاههای کاری Symbolics. با این حال، این ارقام از شبیهسازیهای داخلی گزارش شده در مجله بایت (نوامبر ۱۹۸۸) بودند و هرگز به صورت مستقل بازتولید یا تایید نشدند.
در حالی که Rekursiv در حال طراحی بود، صنعت تغییر مسیر داد. اجماع دهه ۷۰ که میگفت سختافزار باید «شکاف معنایی» (Semantic Gap) را پر کند، با ظهور RISC نابود شد. پترسون و دیتزل در سال ۱۹۸۰ استدلال کردند که دستورات ساده، حافظههای پنهان و کامپایلرهای خوب، در نهایت سریعتر هستند. تا سال ۱۹۸۴، پروژه SOAR در برکلی توانسته بود Smalltalk را به طور بهینه روی یک تراشه ساده با تنها ۳۵,۰۰۰ ترانزیستور اجرا کند. فرض مرکزی Rekursiv چهار سال پیش از آنکه اولین برد آن روشن شود، زیر سوال رفته بود.
سپس نوبت به «حمله ریزپردازندههای قاتل» رسید. از سال ۱۹۸۶ تا ۲۰۰۳، ریزپردازندههای تجاری سالانه حدود ۵۲٪ بهبود مییافتند. طراحی Rekursiv چهار سال زمان برد؛ زمانی تصور شد که VAX یک ماشین قابل قبول بود، اما تا سال ۱۹۸۸ وارد دنیایی شد که در آن SPARCstations، اینتل ۳۸۶ و در نهایت ۴۸۶ در حال ظهور بودند. جیمز لوتیان پنج سال بعد اشاره کرد که این ماشین به سادگی نمیتوانست در برابر این ایستگاههای کاری دوام بیاورد. در همین زمینه، تحلیلها نشان میدهد که محدودیتهای فیزیکی زنجیره تأمین همواره میتواند سرعت پیشرفتهای سختافزاری را تعدیل کند و توهم «جهش سریع» را بشکند.
در نهایت تنها ۲۰ تا ۳۰ برد ساخته شد که بیشتر آنها برای دانشگاهها ارسال گشت. هیچ سندی وجود ندارد که نشان دهد این بردها هرگز در خط تولید واقعی لین (که هدف اصلی کل پروژه بود) به کار گرفته شده باشند. در یک مقایسه میدانی، زبان LINGO با کد-رشتهای (Threaded-code) روی یک Sun-3 دو برابر سریعتر از برد Rekursiv بود، در حالی که برد Rekursiv دقیقاً برای شکست دادن چنین سیستمهایی طراحی شده بود.
پایان گلاسگویی
پایان این پروژه به اندازه شروعش دراماتیک بود. به دنبال فشار مالی ناشی از «دوشنبه سیاه» (سقوط بورس ۱۹۸۷) و شکست تلاشها برای نجات مالی پروژه، یک نزاع نهایی بر سر یک پارکینگ رخ داد. راننده یکی از ونهای توزیع لین، هنگام دنده عقب گرفتن، با پورشه دیوید هارلند تصادف کرد. وقتی تیفنبران به دلیل اینکه حادثه در زمین خصوصی رخ داده بود، از پرداخت هزینه تعمیرات خودداری کرد، هارلند استعفا داد.
او هنگام خروج، تمام سختافزارها و رسانههای پشتیبانی جمعآوری شده خود را به داخل کانال Forth and Clyde پرتاب کرد. اگرچه افسانهها میگویند کل خط تولید به داخل آب رفت، اما حقیقت این است که حداقل یک برد کامل نجات یافت و اکنون در مجموعه کامپیوتری جیم آستین در نزدیکی یورک قرار دارد.
شرکت لین در نهایت نام «Numerik» را برای یکی از مبدلهای DAC در سری CDهای خود بازیافت کرد، که به نوعی مانند سنگ قبر این پروژه است. دیوید هارلند حدود سال ۱۹۹۵ کاملاً از دنیای کامپیوتر فاصله گرفت و در نهایت به مورخی پرکار در زمینه سفرهای فضایی تبدیل شد که چندین ده کتاب در کارنامه دارد.
تحلیل: بازگشت سیلیکونهای متناسب با حجم کاری
شکست Rekursiv یک خطای فنی نبود، بلکه یک خطای چرخه (Cycle Error) بود. چهار ستون اصلی آن امروز از «عجیب و غریب» به پیشرانهای پیشرو در محاسبات مدرن تبدیل شدهاند:
- امنیت سختافزاری حافظه: این اساس فناوری CHERI (Capability Hardware Enhanced RISC Instructions) است که توسط رابرت واتسون و همکارانش در کمبریج و SRI از سال ۲۰۱۰ توسعه یافت. شرکت Arm این فناوری را در سال ۲۰۲۲ در بردهای نمونه Morello تحت برنامه «امنیت دیجیتال در طراحی» بریتانیا ادغام کرد و همچنین نسخه سبکتر آن یعنی Memory Tagging Extension را در گوشیهای اندرویدی فعلی ارائه میدهد. در سال ۲۰۲۰، تیم امنیتی مایکروسافت نتیجه گرفت که CHERI میتوانست به طور قطعی حداقل دو-سوم از آسیبپذیریهای حافظه که در سال ۲۰۱۹ وصله شدند را مدیریت کند.
- مدیریت حافظه به عنوان یک دغدغه معماری: این مسیر در دهه ۲۰۰۰ توسط شرکت Azul Systems با دستگاههای Vega دنبال شد. این پردازندههای چندهستهای سفارشی از پشتیبانی Read-barrier سختافزاری استفاده میکردند تا جمعآوری زباله بدون توقف (Pause-free) را برای Heaps جاوا عملی کنند. اگرچه جمعکننده C4 اکنون به صورت نرمافزاری روی x86 اجرا میشود، اما تکانه معماری برای جاسازی مدیریت حافظه در سختافزار همچنان پابرجاست.
- ذخیرهسازهای تکسطحی پایدار: آیبیام این ایده را در System/38 (سال ۱۹۷۸) عرضه کرد و در AS/400 و IBM i ادامه داد. اینتل سعی کرد با Optane این ایده را احیا کند اما در سال ۲۰۲۲ آن را متوقف کرد؛ اکنون این جاهطلبی در حال مهاجرت به ساختارهای حافظه CXL است.
- سختافزار متناسب با پردازش: این اکنون استاندارد صنعت برای هوش مصنوعی است. هنسی و پترسون، کسانی که به دفن Rekursiv کمک کردند، اکنون استدلال میکنند که با مرگ قانون مور و مقیاسبندی دنارد، معماریهای دامنه-ویژه تنها راه پیش رو هستند. این را در TPU گوگل، پردازنده استریمینگ قطعی Groq، موتور Wafer-scale شرکت Cerebras و ASIC مدل ترنسفورمر شرکت Etched میبینیم. این ماشینها ساخته شدهاند تا فقط یک زبان — یعنی جبر خطی — را به بهترین نحو اجرا کنند. این رویکرد سختافزاری در مقابل بهینهسازی الگوریتمی در مدل Kimi K3 قرار دارد که نشان میدهد چگونه نرمافزار میتواند بخشی از خلأهای سختافزاری را جبران کند.
مسیر پیش رو
برای خوانندگان دنیای کسبوکار، درس این است که «خیلی زود درست فکر کردن» یک مدل تجاری نیست. پردازنده همهمنظوره تجاری، سازشی بود که توسط منحنی بهبود ۵۲ درصدی تحمیل شد و باعث شد معماریهای سفارشی پیش از آنکه به سیلیکون تبدیل شوند، منسوخ شوند. اما اکنون آن منحنی از بین رفته و دوران سازش به پایان رسیده است.
همچنین درسی در مورد «انتزاع» (Abstraction) وجود دارد. IBM در ایدههای مشابه موفق شد زیرا معناشناسی خود را در یک مجموعه دستورات مجازی — یعنی TIMI (Technology Independent Machine Interface) — قرار داد؛ به این معنی که وقتی پلتفرم در سال ۱۹۹۵ به PowerPC منتقل شد، برنامهها نیاز به کامپایل مجدد نداشتند.
در مقابل، لین معناشناسی خود را مستقیماً به آرایههای گیت جوش داد، که فقط تا زمان چرخه عمر آن نود پردازشی دوام آورد. به همین ترتیب، شرکت Acorn با فروش انتزاع (ISA) به جای فروش صرفِ کامپیوتر، با ARM 1 موفق شد. این به آنها اجازه داد تا با اعطای لایسنس معماری به دیگران، بدون وابستگی به نود پردازشی، بقا کنند.
شرکت Inmos در مقابل، معماری موازی دیوید می را در Transputer جوش داد که توسط همان منحنی تجاری که Rekursiv را بلعید، شکست خورد. میراث آن تنها در قالب XMOS و عادتهای سیلیکونی خلافجریان شرکتهای بریستول مانند Graphcore باقی ماند.
امروز شاهد یک حرکت معکوس هستیم: زبانهای جدید در حال بازطراحی میشوند تا با ماشینها سازگار شوند، زیرا زبانهای همهمنظوره با LLMها سازگاری ضعیفی دارند. این تغییر در کلاس جدید زبانهای عاملمحور (Agent-languages) — مانند Vera که در فوریه منتشر شد و در agentlanguages.dev یافت میشود — مشهود است. این همان غریزهای است که هارلند در سال ۱۹۸۴ داشت: بستر باید تغییر کند تا با نویسندگانی که روی آن مینویسند هماهنگ شود.
با کاهش هزینه «Taping out» (تولید آزمایشی) سیلیکونهای سفارشی از طریق RISC-V و ابزارهای مدرن، تیمهای کوچک با باورهای خلافجریان دیگر به طور خودکار محکوم به شکست توسط تقویم نیستند. Rekursiv چکلیستی برای عصر جدید است: آیا حجم کاری به اندازه کافی گسترده است که هزینه ترانزیستورها را توجیه کند، و آیا ایدهها در لایهای بالاتر از سیلیکون زندگی میکنند یا در آن جوش داده شدهاند؟ ایدههای پشت Rekursiv چهل سال طول کشید تا به ساحل بازگردند، اما بالاخره رسیدند. این بار، هدف این است که سیلیکونها را دور از آب نگه دارند.
گام بعدی شما
- اگر توسعهدهنده هستید، معماریهای RISC-V را بررسی کنید تا ببینید چگونه هزینه ساخت تراشههای تخصصی در حال کاهش است.
- مطالعه درباره فناوری CHERI برای درک آینده امنیت سختافزاری در سیستمعاملها.
- بررسی زبانهای جدید عاملمحور نظیر Vera که سعی دارند متناسب با سختافزار شتابدهنده بازطراحی شوند.
اما داستان سختافزاری این تحول حتی شگفتانگیزتر است؛ برای درک اینکه چگونه تراشههای جدید حافظه را مدیریت میکنند، به تحلیل ما درباره معماری Blackwell مراجعه کنید.
گفتگو