توسعه پردازندهی گرافیلی کار چندان آسانی نیست؛ اما چرا اپل قصد دارد با وجود دشواریهای زیاد، GPU خودش را توسعه دهد؟
اپل در حال توسعه معماری GPU اختصاصی خود است. این کار علاوه بر صرفهجوییهای زیاد، نشان از تغییرات تکنولوژی زیادی در آیفون دارد که میتواند به اندازه معرفی iOS در ده سال پیش مهم باشد.
عواملی به جز صرفهجویی مالی
اپل حدود چهار سال است که روی پروژه GPU کار میکند. اپل در سال ۲۰۱۳، دهها مهندس گرافیک AMD را استخدام کرد تا در مرکز این شرکت در اورلاندو مشغول به کار شوند و همچنین آگهیهای استخدامی با عنوان «مدلسازی سختافزار جیپییو» منتشر کرده بود.
چرا اپل یک تیم توسعه GPU داخلی تشکیل میدهد، در حالی که در شرکت انگلیسی Imagination Technologies که سالها است پردازندهی گرافیکی آیفون را تأمین میکند، سهام دارد؟ چرا اپل ایمجینیشن را نمیخرد یا به استفاده از تکنولوژیهای این شرکت ادامه نمیدهد؟
جواب احتمالا صرفهجویی در هزینه نیست. اپل هزینه کمی برای معماری جیپییو PowerVR شرکت Imagination پرداخت میکند. در سال مالی ۲۰۱۶، اپل برای فروش ۲۵۰ میلیون دستگاه موبایل که درآمد ۱۵۷ میلیارد دلاری برای این شرکت به همراه داشت، کمتر از ۱۰۰ میلیون دلار به ایمجینیشن بابت پردازندههای گرافیکی آن پرداخت کرد. توسعه معماری GPU اختصاصی، مطمئنا بیش از ۱۰۰ میلیون دلار در سال برای اپل هزینه خواهد داشت.
The Metal GPU
برای اینکه درک کنید چرا اپل قصد دارد از معماری PowerVR مهاجرت کند، باید به تغییر گرافیکی که اپل درسال ۲۰۱۴ معرفی کرد، توجه کنید: Metal API اختصاصی برای محول کردن کارهای گرافیکی به پردازندهی گرافیکی.
اپل همیشه سرمایهگذاری زیادی در API گرافیکی OpenGL داشته است (نسخه موبایل آن OpenGL ES نام دارد). دلیل توسعه Metal صرفهجویی در هزینه نبود، بلکه این بود که اپل بتواند توسعه iOS به زیرمجموعههای گرافیکی را سفارشی کند و از آن بهره ببرد و در این رهگذر، هزینههای سربار بیربط را دور بیندازد.
OpenGL به گونهای توسعه داده شده است که با پلتفرمهای مختلف و معماریهای مختلف جیپییو کار کند. انعطافپذیری به مرور زمان به معضلی برای اپل تبدیل شد، چون باعث شد که نتواند عملکرد را بهینه کند. مایکروسافت، انویدیا، ایامدی و دیگر شرکتها جایگزینهایی برای OpenGL معرفی کردند تا بتوانند بر نقاط قوتشان تمرکز کنند. Metal همین کار را برای پلتفرم اپل انجام داد.
همانند OpenGL، معماری PowerVR شرکت Imagination به گونهای طراحی شده است که پاسخگوی نیازهای مختلف در ردههای مختلف محصولات باشد. در حقیقت، این شرکت بریتانیایی سالها است که تلاش دارد وابستگی خود را به اپل کاهش دهد.
انتظار میرفت که نسل بعدی معماری جیپییو این شرکت با نام Furian دو سال دیگر معرفی شود. Furian به گونهای توسعه داده شده است که قابلیت پشتیبانی از واقعیت مجازی و واقعیت افزوده نیز دارد و بنابر ادعای ایمجینیشن، رهبری خود را در ردههای معمول همچون موبایل، تبلت و خودرو نیز حفظ میکند.
از آنجایی که اپل در مورد برنامههای آینده خود به شدت رازدار است، به سادگی میتوان دریافت که معماری Furian برای حل مشکلات آینده اپل طراحی نشده است؛ چون ایمجینیشن حتی نمیداند که این برنامهها چیست و به علاوه، به دنبال آن است که مشتریهای بیشتری برای خود دست و پا کند، پس عاقلانه نیست که روشی را توسعه دهد که تنها برای یک خریدار، هر چند بزرگ و پولدار یا چند خریدار خاص مناسب باشد.
در طول دهه گذشته، PowerVR برای اپل همان کار OpenGL را انجام داده است. استفاده نکردن از PowerVR به این دلیل است که اپل با توسعه جیپییو اختصاصی، اهداف فرعی پردازندهی گرافیکی ایمجینیشن را کنار میگذارد. معرفی Metal نیز در همین راستا بود.
جیپییو سانفرانسیسکو
یک مثال دیگر از جایگزینی تکنولوژی حال حاضر با تکنولوژی بهینهشده، معرفی فونت سانفرانسیسکو است که در سال ۲۰۱۴ توسط اپل معرفی شد. اپل این فونت را به طور اختصاصی برای اپل واچ توسعه داد تا خوانایی نمایشگرهای کوچک را افزایش دهد.
یک سال بعد از معرفی این فونت، اپل نسخهای از فونت سانفرانسیسکو را برای iOS 9 و macOS El Capitan عرضه کرد. اپل استفاده از این فونت را به وبسایت، تبلیغات، برندسازی و برچسبهای کیبورد محصولاتش گسترش داده است.
اپل در گذشته از فونتهای مختلف برای هدفهای گوناگون استفاده کرده است. استفاده از فونتهای یک خانواده باعث شد که اپل علاوه بر حل برخی مشکلات فنی، ظاهر و کاراکتر همگنی داشته باشد.
یکی از ویژگیهای سانفرانسیسکو این است که از Dynamic Type پشتیبانی میکند. Dynamic Type باعث میشود که هنگام تغییر سایز فونت، وزن و دیگر ویژگیهای آن نیز به طور متناسب تغییر کند و بدین ترتیب خوانایی متن حفظ شود. طراحی سانفرانسیسکو به گونهای انجام شد تا از دستگاههای کوچک همچون اپل واچ تا دسکتاپ را پشتیبانی کند.
اپل نیز احتمالا همین رویکرد را در توسعه پردازندهی گرافیکی دارد. همانند سانفرانسیسکو، اپل قصد دارد در محصولاتی که بیشترین نیاز را دارند، PowerVR را جایگزین کند؛ دستگاههای iOS، اپل واچ و اپل تیوی و حتی ممکن است روزی از پردازندهی گرافیکی خود در مک نیز استفاده کند.
حتی منطقی به نظر میرسد که اپل از پردازندهی گرافیکی اختصاصی خود در مکهای آینده استفاده کند تا بتواند از پردازندههای مبتنی بر معماری x86 اینتل فاصله بگیرد و به سمت پردازندههای مبتنی بر معماری ARM که توسط خود اپل توسعه داده شده است، برود.
فارغ از اینکه بتوان از GPU اپل در مک استفاده کرد، این شرکت از توسعه پردازندهی گرافیکی هدف زیر را دنبال میکند؛ پردازندهی گرافیکی اختصاصی میتواند به گونهای طراحی شود که نیازهای خاص را پاسخ دهد، نیازهایی که ایمجینیشن نیازی به پاسخ به آن نمیبیند. واضحترین مثال، اپل واچ است. طبیعتا بازار ساعت هوشمند تقریبا در کنترل کامل اپل است. رقیب اصلی اپل در این زمینه، ترکیبی از ساعتهای مکانیکی مجلل و دستبندهای سلامتی هوشمند است. Imagination نیازی ندارد نوعی پردازندهی گرافیکی توسعه دهد که برای پوشیدنیها مناسب باشد، همانگونه که نیازی به توسعه فونت اختصاصی برای یک نمایشگر کوچک اولد وجود ندارد.
شباهت دوم به سانفرانسیسکو این است که پیش از استفاده از این فونت، اپل از فونت هلوتیکا، فونتی که به طور گسترده توسط شرکتهای دیگر به کار میرود، استفاده میکرد. اگر به استفاده از هلوتیکا ادامه داده بود، دیگر کمپانیها میتوانستند رویکرد اپل را کپی کنند و کاربران قادر نبودند تمایزی بین اپل و دیگر شرکتها قائل شوند.
به طور مشابه، دیگر کمپانیها از معماری پردازندهی گرافیکی PowerVR استفاده میکنند. یک مثال عمده آمازون است. فایر تیوی این شرکت از چیپ مدیاتک استفاده میکند که این چیپ از پردازندهی گرافیکی PowerVR بهره میبرد. اپل میتواند با ایمجینیشن همکاری کند تا GPU اختصاصی برای تلویزیون خود توسعه دهد.
اپل که رابط کاربری دسکتاپ خود توسط مایکروسافت و رابط کاربری موبایلش توسط گوگل و سامسونگ دزدیده شده است، دلیل خوبی دارد تا از تکرار اینگونه کپیکاریها جلوگیری کند.
APFS GPU
تکنولوژی دیگر که اپل در حال توسعه آن است، سیستم فایل APFS است که در حال حاضر در iOS 10.3 به کار میرود و تا آخر سال جاری میلادی در مک نیز به کار گرفته میشود.
همانند OpenGL و هلوتیکا، سیستم فایل +HFS اپل بسیار کاربردی بود و میتوانست برای مدت زیادی کار کند. اما مسائلی وجود دارند که باید پاسخ داده شوند تا پلتفرم فعلی تقویت شود و توانایی ایجاد ویژگیهای جدید برای آینده به وجود آید.
APFS نیز مثل سانفرانسیسکو و Metal، به گونهای طراحی شده است تا نیاز محصولات مختلف اپل از اپل واچ گرفته تا مک را برآورده کند و در عین حال آیفون، آیپد و اپل تیوی را نیز پشتیبانی کند.
درحالیکه Metal به گونهای طراحی شد که قسمتهای غیر ضروری OpenGL حذف شود و سانفرانسیسکو فونتی بود که محصولات اپل را خاص میکرد؛ APFS جایگزین +HFS میشود تا سیستم فایلی ایجاد شود که با رشد و نیازهای آینده سازگار باشد.
به طرز مشابه، PowerVR به اپل اجازه میدهد که در حوزههایی همچون اپل واچ، آیفون، آیپد پرو و اپل تیوی رقابتی باقی بماند. اما اپل برای قابلیتهای آینده نیاز به بنیاد محکمی دارد.
طراحی PowerVR مثل +HFS به عصر پیشین تکنولوژی برمیگردد. طراحی اولیه آن در اواسطه دهه ۹۰ میلادی اتفاق افتاد؛ اما حتی نسخه مخصوص موبایل آن نیز یک دهه پیش توسعه داده شده و در نسل بعدی گوشیهای هوشمند استفاده شده است. ویژگی Tile-based deferred rendering آن در میان جیپییوها منحصربفرد است، اما برخی رهیافتهای آن با Mali آرم و موتور گرافیکی تجمیعشده اچدی اینتل یکسان است.
از آنجایی که تکنولوژی موبایل از سال ۲۰۰۵ به بعد پیشرفتهای زیادی داشته است، سخت نیست تصور کنیم که رهیافتهای جدیدتر و پربازدهتر از چیزی که Imagination در دهه گذشته توسعه داده است، وجود داشته باشد. این حقیقت که ایمجینیشن در حال توسعه نسل بعدی طراحی خود کار میکند، مويد این حقیقت است.
iOS GPU
با پدیدار شدن Furian شرکت ایمجینیشن در افق، حال زمان مناسبی است که اپل یک طراحی جدید GPU ارائه کند که از وضع موجود فاصله بگیرد و جهش بزرگی در قابلیتهای گرافیکی بوجود آورد.
اپل یک دهه پیش به این حقیقت دست یافت که تکنولوژی، گروه جدیدی از سوپر موبایلها را قادر خواهد ساخت به جای اجرای پلتفرمهای قدیمی موبایل که در دهه ۹۰ میلادی برای PDA و پیجر توسعه داده شده بود، اپلیکیشنهای دسکتاپ را اجرا کنند. نتیجه iOS بود.
در همین راستا، اپل میتواند دانش خود را در زمینه گوشیهای هوشمند و نیازهای سیستم عامل برای توسعهی پردازندهی گرافیکی برای دهه آینده به کار گیرد.
راههای زیادی وجود دارد که وجود یک پردازندهی گرافیکی اختصاصی میتواند محصولات iOS را همانگونه که خود iOS یک دهه پیش متمایز کرد، متمایز کند. برخی از این راهها عبارتند از: توابع GPGPU بهینهشده برای فشردهسازی فایل و حافظه، رمزنگاری فایلها، افکتهای و فیلترهای جدید ویدئویی، یادگیری ماشین و بهینهسازیها برای اجرای جاوا اسکریپت و سویفت که میتواند منجر به افزایش سرعت وب و توسعه نرمافزار برای آیپد شود.
اپل ادعا کرده است که پردازشگر سیگنال تصویر که در چیپهای سری A آیفون ۷ وجود دارد، قادر است ۱۰۰ میلیارد محاسبه را در ۲۵ میلیثانیه انجام دهد. این کمپانی همچنین موتورهای محاسباتی دیگری در سیستم-روی-یک- چیپ خود استفاده کرده است که از حذف نویز صدا گرفته تا Secure Enclave شامل میشود.
شاید بتوان برخی از کارهای پردازندهی اصلی را به پردازندهی گرافیکی منتقل کرد که برای انجام کارهای GPGPU به طور اختصاصی برنامهریزی شدهاند یا سختافزار جدیدی توسعه داد که مرز بین پردازندههای اصلی و گرافیکی و دیگر هستههای پردازشی در چیپست را محو کند.
از آنجایی که اپل کار پیشرفتهای برای بهینهسازی هستههای CPU و دیگر اجزای چیپهای سری A انجام میدهد، دشوار نخواهد بود که بتواند به طور تهاجمی در چیپ سیلیکونی جدید، پردازش موبایلی را به جلو ببرد. علاوه بر پردازندهی گرافیکی، اپل در حال کار روی سیستم مدیریت انرژی (در حال حاضر بر عهده شرکت Dialog) است و ممکن است در آینده به سمت طراحی مودم اختصاصی نیز برود (اپل مودمهای خود را از اینتل و کوالکام خریداری میکند).
اپل میتواند تکنولوژی جدید خلق کند
کمپانیهای دیگر نیز در حال کار روی پردازندهی گرافیکی اختصاصی خود هستند. علاوه بر Furian، انویدیا امیدوار است که چیپهای سری تگرای خود را برای تبلت و خودروها پیش ببرد و کوالکام نیز پردازندهی گرافیکی موبایل Adreno را دارد. سامسونگ از جیپییو Mali شرکت ARM استفاده میکند. اما تفاوت اینجا است که اپل نه تنها قصد دارد تکنولوژی خود را توسعه دهد، بلکه قصد دارد آن را به دیگر شرکتها بفروشد. بر خلاف دیگر شرکتها، اپل این توانایی را دارد که از طریق آپدیتهای نرمافزاری و با استفاده از فروش محصولات پریمیوم که صد درصد مشتری خود را دارند، تکنولوژیهای جدید را برای صدها میلیون دستگاه عرضه کند.
اپل در سال ۲۰۱۲ محصولات موبایل خود را به Lightning تبدیل کرد و سال بعد، Touch ID و اپلیکیشنهای ۶۴ بیتی را عرضه کرد که هر دو در حال حضار به وفور یافت میشوند. اپل هر ساله حدود ۸۰ درصد iOS را بازتولید میکند و ویژگیهایی مانند فونت سانفرانسیسکو، APFS و Metal، که قبلا به آنها اشاره شد، اضافه میکند.
سامسونگ، بزرگترین رقیب اپل، سالانه حدود ۳۵۰ میلیون دستگاه میفروشد که تنها حدود ۱۰۰ میلیون از آنها گوشیهای پریمیوم گلکسی اس هستند. برخی از این محصولات با نسخههای قدیمی اندروید عرضه میشوند که احتمالا هیچ گاه آپدیتی برای آنها عرضه نخواهد شد.
سامسونگ میتواند پردازندهی گرافیکی اختصاصی خود را تولید کند، اما برای استفاده از آن دچار مشکل خواهد شد؛ چون بسیاری از گوشیهای این شرکت، رده پایین هستند. حتی گلکسی اس ۸ نیز از دو نسخه GPU استفاده میکند: Mali و Adreno. سامسونگ حتی نتوانست سیستم عامل تایزن و ساعتهای گلکسی گیر را در تعداد و مقیاس بالا عرضه کند.
گوگل نیز ثابت کرده است که توانایی کمی در عرضه پلتفرم نرمافزاری خود برای بخش اعظمی از کاربران دارد. مایکروسافت نیز نشان داد که نمیتواند ویندوز ۱۰ را به سرعت فراگیر کند؛ حتی وقتی کاربران را مجبور به آپدیت میکرد. بسیاری از سازندگان سختافزار از گوشی فایر فون آمازون گرفته تا تجربه اچپی با webOS تا تلاش انویدیا برای فروش محصولات Shield تا تلاش گوگل برای فروش نکسوس کیو، گوگل تیوی و پیکسل سی، نشان دادهاند که در همان ابتدا دچار مشکل میشوند.
اپل میتواند یک معماری جدید پردازندهی گرافیکی معرفی کند و سریعا آن را در طیف گستردهای از محصولات، حتی در آیفون ۸، اپل تیوی ۵ و اپل واچ ۳، به کار گیرد. اپل حتی میتواند مدلهای پیشین محصولات خود را به جیپییو جدید مجهز کند.
اپل ترسی از هزینه برای پیشرفت استراتژیک ندارد
اپل دائما برای ویژگیهای پیشرفته برای محصولاتش که رقبا قدرت کپی کردن نداشته باشند، چه در نرمافزار و چه در سختافزار، هزینه کرده است. بیشتر این کار به دلیل آن است که اپل با فروش زیاد سختافزار قادر است درآمد بالایی داشته باشد. اپل در حال حاضر حدود ۱۰ میلیارد دلار در سال برای تحقیق و توسعه هزینه میکند. در مقام مقایسه، هزینه تحقیق و توسعه انویدیا کمتر از ۱.۵ میلیارد دلار است.
بزرگترین شکایتی که در حال حاضر از اپل وجود دارد؛ نبود نسخه جدیدی از مک پرو است. هر کسی در دنیای پیسی و موبایل بر عکس این مشکل را دارد؛ یا محصولی که دارند که پرچمدار است ولی فروش کمی دارد یا محصوی دارند که فروش بالایی دارد ولی باعث پیشرفت نمیشود.
نگاهی به برخی از سرمایهگذاریهای سختافزاری اپل بیندازید. در زمینه سختافزار، اپل شرکت AuthenTec را به مبلغ ۳۵۰ میلیون دلار خرید و سپس روی Touch ID سرمایهگذاری مجدد انجام داد تا آن را برای استفاده عموم آماده کند. موتورولا قصد داشت در سال ۲۰۱۰ در گوشی Atrix خود از فناوری شرکت AuthenTec استفاده کند، اما نتوانست کاری کند که سنسورهای این شرکت به خوبی کار کنند و در نهایت، از این کار منصرف شد.
AuthenTec اشاره میکند که بجز اپل، دیگر سازندگان از بهترین سنسورهای اثر انگشت این شرکت به دلیل قیمت بالا صرفهنظر کردند. دلیل آن این است که به جز آیفون، گوشیهای هوشمند یا هزینه بالا و میزان فروش کم دارند یا هزینه پایین و فروش بالا دارند که هیچ کدام استفاده از قطعات گرانقیمت را توجیه نمیکند.
علاوه بر سختافزار، اپل میلیاردها دلار برای تحقیق و توسعه نرمافزارها از iOS گرفته تا Xcode تا اپلیکیشنهای کامل، هزینه میکند. هیچ سازنده موبایلی نتوانسته است سیستم عامل خود را بسازد، برای ۱۰ سال آن را نگه دارد و در عین حال سودآور نیز باشد.
نوآوریهای نرمافزاری رقبای اپل، بیشتر از حقهبازی تقلید آمیز، پوستههای رابط کاربری نازک و اپلیکیشنها باندل تشکیل شده است. سامسونگ تا به حال روی دو سیستم عامل بادا و تایزن سرمایهگذاری کرده است که هر دو شکستی بیش نبودند. در حالی که سامسونگ تقریبا نیمی از گوشیهایی اندروید دنیا را به فروش میرساند و انگیزه لازم را برای توسعه سیستم عامل اختصاصی خود دارد.
گوگل و مایکروسافت پول زیادی صرف توسعه سیستم عامل اختصاصی موبایل خود کردهاند بدون اینکه بتوانند با استفاده از فروش سختافزار، لایسنس نرمافزار یا درآمدهای دیگر مرتبط با اکوسیستم خود، بتوانند این درآمدها را جبران کنند. تلاشهای دیگر برای توسعه سیستم موبایل (مانند وب او اس یا اوبونتو تاچ) نیز که اساسا نتوانستند پول لازم برای توسعه خود را پیدا کنند.
اپل همچنین میلیاردها دلار برای توسعه چیپهای خودش خرج کرده است. اپل در سال ۲۰۰۸ شروع به توسعه چیپ اختصاصی خودش کرد که در نهایت منجر به ارائه A4 در سال ۲۰۱۰ شد. بنظر میرسید چیپهای OMAP از تگزاس اینسترومنتر، تگرا از انویدیا و اسنپدراگون از کوالکام بتوانند تنها با استفاده از قدرت محاسباتی، اندروید و ویندوز را از اپل جلو بیندازند. اما اپل نه تنها توانست پابهپای آنها جلو بیاید، بلکه با معرفی چیپ ۶۴ بیتی A7، خود را از هر شرکتی در دنیای موبایل جلو انداخت. با این کار، تگزاس اینسترومنتر و انویدیا از میدان خارج شدند.