מהי ארכיטקטורת שבב - ולמה היא השלב שבו מחליטים מה השבב באמת יהיה?

בפוסטים הקודמים דיברנו על מהו שבב, מהו SoC ועל איך “כותבים” חומרה באמצעות RTL. כעת ניגש לחלק מרכזי של עולם ה-Frontend:

ארכיטקטורת שבב (Chip Architecture)

זהו השלב שבו מתכנני המערכת קובעים:

• אילו יחידות יהיו בשבב
• איך הן יתקשרו זו עם זו
• אילו משאבים דרושים
• איך נראית זרימת הנתונים
• ומה תהיה היכולת הכוללת של השבב

פשוט אמרנו: הארכיטקטורה היא התכנון העליון - התוכנית שמכתיבה את כל מה שיבוא אחר כך.

למה בכלל צריך ארכיטקטורה?

שבב אינו “רכיב יחיד”. הוא מערכת מורכבת, שמכילה:

• יחידות חישוב (CPU / GPU / NPU)
• זיכרונות
• בקרים
• אפיק תקשורת פנימי
• יחידות עזר (וידאו, רשת וכו’)
• פרוטוקולי I/O
• מערכת שעונים וצריכת חשמל

כל אלה חייבים לעבוד ביחד בצורה מאורגנת.

ללא תכנון ארכיטקטוני:

• המערכת לא תהיה יעילה
• יהיו התנגשויות במשאבים
• הביצועים לא יעמדו בדרישות
• לא ניתן יהיה לאמת או לבנות אותה

מה עושה ארכיטקט החומרה בפועל?

1. מבין את דרישות המוצר

מה השבב צריך לעשות? האם הוא מיועד עבור רכב? מצלמה? מאיץ AI? נייד? שרת?

לכל מוצר - דרישות אחרות.

2. קובע אילו בלוקים נדרשים

לדוגמה, בשבב AI:

• מאיץ מטריצות
• זיכרון מהיר פנימי
• בקר תקשורת
• CPU לניהול
• מנוע דחיסה/פריסה
• I/O להפעלת המודל

3. מגדיר את מבנה התקשורת בין היחידות

מי מדבר עם מי? מה רוחב התעבורה? איך מתזמנים עומסים?

4. קובע את חלוקת הזיכרון

כמה Cache? איזה SRAM פנימי? איך כל יחידה מקבלת גישה?

5. מגדיר שעונים וצריכת חשמל

מי עובד תמיד? מי נכבה במצב חיסכון? מה המהירויות הנדרשות?

זרימת נתונים - אחד הדברים החשובים ביותר

ארכיטקטים משרטטים:

• מאיפה מגיעים נתונים?
• מי מעבד אותם?
• לאן הם הולכים אחר כך?
• איפה נוצרים צווארי בקבוק?

הזרימה הזו קריטית לביצועים.

לדוגמה:

אם NPU מייצר 200GB/s נתונים אבל האפיק יכול להעביר רק 100GB/s - השבב לא יעמוד בדרישות.

ארכיטקט הוא זה שמונע את המצבים האלה מראש.

מה יוצא בסוף שלב הארכיטקטורה?

מסמך ארוך ומפורט שמשמש את כל צוותי הפיתוח:

• תרשימי בלוקים (Block Diagrams)
• ממשקי תקשורת (Interfaces)
• תזמוני שעון
• דרישות לזיכרון
• תיאור לוגי של פעולות
• חלוקת אחריות בין צוותים

זהו הבסיס שעליו מהנדסי RTL יתחילו לכתוב את החומרה.

למה ארכיטקטורה קודמת ל-RTL?

כי בלי תכנון:

• לא יודעים אילו מודולים לבנות
• לא יודעים איך הם צריכים לתקשר
• לא יודעים מהן הדרישות
• לא יודעים מה חשוב ומה משני

ארכיטקטורה היא “הסיפור”. RTL הוא “הפרק”.

משל שממחיש

דמיינו שאתם בונים בית:

ארכיטקט מחליט:

• כמה חדרים יהיו
• איפה המטבח
• איפה השירותים
• איך האוויר יזרום
• מה צריכת החשמל

מהנדס ה-RTL לוקח את התוכנית ובונה את הפרטים:

• איך בדיוק נראה כל חדר
• איך נבנה כל קיר
• מה יהיה בכל פינה

בלי ארכיטקטורה - אין תוכנית. בלי תוכנית - אי אפשר לבנות.

סיכום

ארכיטקטורת שבב היא:

• ההגדרה העליונה של מה השבב עושה
• כיצד היחידות בתוכו מסודרות
• איך המידע זורם ביניהן
• אילו משאבים נדרשים
• ואיך הכול עובד ביחד במערכת אמיתית

היא השלב שבו מציירים את התמונה הגדולה - לפני שנכנסים לשורות הלוגיקה ב-RTL, לפני סימולציות ולפני בנייה פיזית.

---

זו הסדרה “Chip Design Journey” - מסע מעמיק בעולם עיצוב השבבים. בהמשך נלמד על Verification, Synthesis, Place & Route, ועוד שלבים קריטיים בדרך לשבב אמיתי.