ما هي الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC)؟ مقابل وحدة معالجة الرسومات (GPU)

افتح جهاز تعدين بيتكوين، وانظر إلى الشريحة الداخلية، ستجدها شريحة سيليكونية تقوم بمهمة واحدة فقط: التجزئة. هذه هي وظيفتها بالكامل. لا يمكنها تشغيل متصفح ويب، ولن تتمكن من فك تشفير بث نتفليكس، ولن تدرب نموذج ذكاء اصطناعي. لكن هذه المهمة الوحيدة التي تقوم بها، تؤديها بكفاءة تفوق ألف مرة أي شريحة عامة في السوق. يُطلق على هذا النوع من السيليكون اسم ASIC، اختصارًا لـ Application-Specific Integrated Circuit (الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات). تُستخدم هذه الشرائح في العديد من المجالات الأخرى، وليس فقط في مجال العملات الرقمية. مراكز بيانات جوجل، مودم الراديو في هاتفك، نظام القيادة الذاتية في سيارات تسلا، وكل محول إيثرنت في مكتبك. يشرح هذا المقال ماهية شريحة ASIC، وكيفية تصميمها، وما يميزها عن وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة معالجة الرسومات (GPU) ومصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA)، ولماذا اعتمد تعدين بيتكوين على شرائح ASIC بحلول عام 2013، وكيف يقارن الجيل الحالي منها بأحدث وحدات معالجة الرسومات.

ما هي الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) في فقرة واحدة؟

الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) هي شريحة مصممة لأداء مهمة محددة بأعلى كفاءة ممكنة في استهلاك الطاقة. يُكتب اختصارها "Application-Specific Integrated Circuit" أحيانًا بدون الواصلة "application specific integrated circuit". بمجرد نقش التصميم على السيليكون في مصنع متخصص مثل TSMC أو Samsung، لا يمكن إعادة برمجة منطقها. يُوضع كل ترانزستور في مكانه المحدد بدقة من قِبل فرق تصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات. تُضحى بالمرونة الفائقة مقابل التحسين الأمثل. على سبيل المثال، تُجري دائرة متكاملة حديثة خاصة بالبيتكوين، مثل Antminer S21 Pro، 234 تريليون عملية تجزئة SHA-256 في الثانية الواحدة باستهلاك 15 جول لكل تيراهاش، وهو مستوى لا تقترب منه أي وحدة معالجة مركزية أو وحدة معالجة رسومية أو أي وحدة معالجة أخرى. وحدة معالجة Tensor Processing Unit (TPU) من Google هي دائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات. وكذلك مودم الراديو في هاتفك. وكذلك وحدات الإشارة الرقمية التي تُسرّع الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي في أحدث الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

مقارنة بين الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) ووحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs): مفاضلة للأغراض العامة

أسهل طريقة لفهم ما يميز الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) هي مقارنتها ببدائلها. أربعة أنواع من الرقائق تقوم بمعظم العمل في الحوسبة الحديثة، وكل منها يوازن بين المرونة والكفاءة بنسبة مختلفة.

وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي الشريحة الموجودة في الحاسوب المحمول. يمكنها تشغيل أي برنامج كُتب على الإطلاق. لكن ثمن ذلك هو أنها لا تُنجز أي مهمة بسرعة فائقة لكل واط. أما وحدة معالجة الرسومات (GPU) فهي مصممة للحسابات المتوازية، حيث تُنفذ العملية نفسها على آلاف النوى الصغيرة في آن واحد. وهذا مثالي للرسومات، والتعلم الآلي، وتعدين العملات المشفرة المقاوم لتقنية ASIC. أما مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA)، فهي شريحة يمكن إعادة برمجة بواباتها المنطقية بعد التصنيع باستخدام لغة وصف الأجهزة (HDL) مثل Verilog أو VHDL. تقع مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية بين وحدات معالجة الرسومات وتقنية ASIC من حيث كفاءة الطاقة، مع ميزة إمكانية إعادة التكوين. تكلفة شريحة ASIC عند تصنيعها بكميات كبيرة أقل بكثير، لكن تكلفة الهندسة غير المتكررة الأولية باهظة. تُعد شريحة ASIC هي الخيار الأخير، بمنطق ثابت، وأقصى أداء لكل واط، وبدون أي مرونة. يقوم المصممون بتحسين الشريحة لحمل عمل واحد فقط.

بمجرد فهمك لهذا الجدول، يصبح باقي هذا المقال تطبيقًا عمليًا. تتفوق الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) عندما يكون عبء العمل ثابتًا، وحجمه ضخمًا، ويبقى عبء العمل ثابتًا لفترة كافية لتبرير عملية تصنيعها. وتخسر هذه الدوائر بمجرد تغير عبء العمل.

تطوير الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات: من مستوى نقل السجلات إلى رقاقة السيليكون

تصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) عملية بطيئة ومكلفة، وتكاد تكون أحادية الاتجاه. تتضمن ست مراحل تقريبية. أي خطأ في أي منها قد يُهدر شهورًا من العمل وعشرات الملايين من تكاليف الأقنعة.

المرحلة الأولى هي تحديد المواصفات والبنية. يحدد المهندسون بدقة وظائف الشريحة، من حيث الأداء المستهدف واستهلاك الطاقة ومساحة الشريحة. المرحلة الثانية هي تصميم RTL، حيث يبرمج المهندسون المنطق على مستوى نقل السجلات باستخدام لغة وصف الأجهزة. لا تزال لغتا Verilog وVHDL هما السائدتان، بينما حلت لغة SystemVerilog محلها في عملية التحقق. المرحلة الثالثة هي التحقق الوظيفي، وهي مزيج من المحاكاة باستخدام بيئة اختبار والتحقق الرسمي من الخصائص. الأخطاء التي يتم اكتشافها في هذه المرحلة تكلف آلاف الدولارات، أما الأخطاء التي تتسلل إلى السيليكون فتكلف ملايين الدولارات. هنا تكمن أهمية كل شيء.

المرحلة الرابعة هي توليف المنطق. يقوم المترجم بتحويل لغة وصف الأجهزة (RTL) إلى قائمة توصيلات على مستوى البوابات للخلايا القياسية. المرحلة الخامسة هي التصميم الفيزيائي. تشمل تخطيط الدوائر، وتحديد المواقع، والتوجيه، وتوليف شجرة الساعة، وإغلاق التوقيت. الناتج: ملف GDSII يصف كل طبقة من الشريحة. المرحلة السادسة هي مرحلة تصنيع الرقاقات، حيث يُرسل ملف GDSII إلى مصنع الرقائق. ثم تُحوّل خطوات الطباعة الضوئية التصميم إلى مجموعات أقنعة. تقوم الأقنعة بنقش رقائق السيليكون طبقة تلو الأخرى. وأخيرًا، تُقطع الرقاقة إلى رقائق فردية وتُغلّف. حتى التوصيلات البينية بين الترانزستورات على هذا النطاق تُعدّ مجالًا بحثيًا قائمًا بذاته، حيث تُكتب أطروحات الدكتوراه حولها سنويًا.

والآن ننتقل إلى التكلفة. تتراوح تكلفة مجموعة قناع واحدة بتقنية 5 نانومتر بين 5 و10 ملايين دولار. أما بتقنية 3 نانومتر، فتتراوح التكلفة بين 10 و15 مليون دولار أو أكثر، وفقًا لشركتي Semianalysis وIBS. وبإضافة الرواتب وتراخيص الملكية الفكرية والتحقق، تتجاوز تكلفة الهندسة غير المتكررة (NRE) لدائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC) متطورة نصف مليار دولار بسهولة. وتتراوح مدة دورة التطوير من المواصفات إلى أول شريحة سيليكون بين 12 و24 شهرًا. أما موردي الأدوات الرئيسيين فهم: Synopsys (VCS، PrimeTime)، وCadence (Virtuoso)، وSiemens EDA. ولا تزال لغتا Verilog وVHDL تهيمنان على السوق بعد أربعة عقود، ولم يظهر بديل أفضل لهما حتى الآن.

أنواع الدوائر المتكاملة المصممة حسب الطلب: دوائر مخصصة بالكامل، ومصفوفات البوابات، وغيرها.

تندرج تحت مظلة ASIC العديد من منهجيات التصميم. وهي تتراوح من العمل المخصص بالكامل الذي يتطلب جهداً كبيراً إلى الاختصارات الجاهزة السريعة.

تُصمَّم الدوائر المتكاملة المخصصة بالكامل (ASICs) يدويًا، حيث يتم رسم كل ترانزستور يدويًا. وهذا يوفر أفضل أداء وكثافة ممكنة، ولكنه يستغرق وقتًا أطول في التصميم. أما الدوائر المتكاملة القياسية أو شبه المخصصة، فتستخدم مكتبة مُحدَّدة مسبقًا من البوابات المنطقية والسجلات ووحدات الذاكرة. وهذا يُقلِّل وقت التطوير بشكل كبير مع الحفاظ على نتائج شبه مثالية لمعظم أحمال العمل الرقمية. وتتجاوز الدوائر المتكاملة القائمة على مصفوفات البوابات ذلك، حيث تُستخدم رقائق مُصنَّعة مسبقًا بترانزستورات غير متصلة، وتكون الطبقات المعدنية التي تربطها هي فقط ما يُخصِّصها العميل. وهذا يُقلِّل التكلفة ووقت التسليم. أما الدوائر المتكاملة المُهيكلة، فتقع بين مصفوفات البوابات والدوائر القياسية، وهي خيار وسط للتصاميم عالية الأداء ذات الإنتاج المنخفض.

نبذة تاريخية. ظهرت مصفوفة البوابات ثنائية القطب عام 1967 من شركتي فيرانتي وإنترديزاين، وتزامن ذلك مع ظهور عائلة ميكروماتريكس من فيرتشايلد في العام نفسه. ويُشار على نطاق واسع إلى مصفوفة البوابات ULA من فيرانتي، المُدمجة في جهاز الكمبيوتر المنزلي سينكلير ZX81 عام 1981، باعتبارها أول دائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC) شائعة الاستخدام بين المستهلكين. تلتها مصفوفات البوابات بتقنية CMOS عام 1974. وانتشرت دوائر ASIC ذات الخلايا القياسية الكاملة على نطاق واسع خلال ثمانينيات القرن العشرين. ولا تزال دوائر ASIC المتطورة اليوم امتدادًا لتلك السلسلة من الدوائر المتكاملة.

مجالات استخدام الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) اليوم: وحدات معالجة الموتر (TPU)، والشبكات، واستدلال الذكاء الاصطناعي

تنتشر الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) في كل مكان يغفل عنه الناس. افتح أي هاتف ذكي وستجد معالج تطبيقات مخصصًا، وهو في الواقع، من عائلة ASIC. مثل سلسلة A وسلسلة M من Apple، ومعالجات Qualcomm Snapdragon، ومعالجات Samsung Exynos. ادخل إلى مركز بيانات سحابي وستجد دوائر متكاملة خاصة بالشبكات من Broadcom وCisco وMarvell، تنقل بيانات هائلة تصل إلى تيرابايت في الثانية عبر محولات ستنهار لو حاول أي شخص القيام بالعمل نفسه باستخدام البرمجيات.

تُعدّ وحدة معالجة الموترات (TPU) من جوجل أشهر معالجات ASIC الحديثة غير المخصصة للتشفير. وقد انتقل مشروع TPU من مرحلة الفكرة إلى مرحلة الإنتاج الفعلي في غضون 15 شهرًا تقريبًا. تم إطلاق الإصدار الأول من TPU في مراكز بيانات جوجل عام 2015، وكُشف عنه رسميًا في مؤتمر جوجل I/O في مايو 2016. وفي ورقة بحثية نُشرت في مؤتمر ISCA عام 2017 من قِبل فريق نورم جوبي، ذُكر أن الإصدار الأول من TPU يُجري عمليات الاستدلال بسرعة تتراوح بين 15 و30 ضعفًا مقارنةً بوحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات في ذلك الوقت، مع أداء أفضل من حيث استهلاك الطاقة يتراوح بين 30 و80 ضعفًا. وتعمل جوجل حاليًا على الجيل الثامن من TPU، والذي يُطلق عليه اسم Ironwood، والمُصمم خصيصًا لعصر الذكاء الاصطناعي القائم على الذكاء الاصطناعي. وقد تم إطلاق Edge TPU في يوليو 2018، مُطبقًا نفس الفكرة على الاستدلال منخفض الطاقة على الحافة.

تُستخدم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) في السيارات على نطاق واسع. فشريحة التدريب Dojo من تسلا وشريحة استنتاج نظام القيادة الذاتية الكاملة (FSD) في سياراتها كلاهما من الدوائر المتكاملة المصممة خصيصًا. كما تُزوّد شركتا موبايلي وإنفيديا أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) بمسرّعات ASIC لمعالجة الصور والإشارات الرقمية. الاتصالات، والمركبات ذاتية القيادة، واستنتاج الذكاء الاصطناعي، هي القطاعات الثلاثة الأسرع نموًا التي تُستخدم فيها الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات على نطاق واسع، وستستمر في هيمنتها خلال العقد القادم. لا يمكن إعادة برمجة هذه الدوائر بعد تصنيعها، لذا يتم نشرها حيثما يبقى عبء العمل ثابتًا. أما القطاع الرابع، وهو ما أشارت إليه هذه المقالة طوال الوقت: تعدين العملات المشفرة.

أجهزة تعدين ASIC: قصة الدوائر المتكاملة للبيتكوين من Avalon1

تعدين البيتكوين هو خير مثال يوضح أهمية أجهزة ASIC. تدفع شبكة البيتكوين للمعدنين مقابل حساب تجزئات SHA-256، وهي خوارزمية ثابتة لم تتغير منذ عام 2009، مما يجعلها هدفًا مثاليًا لأجهزة ASIC.

في السنوات الأولى، كان التعدين يتم باستخدام أي جهاز متوفر في المنزل. وبلغ تعدين المعالجات المركزية ذروته خلال عامي 2009 و2010. ثم سيطرت وحدات معالجة الرسومات من عام 2010 إلى 2012 بعد أن اكتشف المستخدمون قدرتها على توليد تجزئة أسرع بكثير من معالج Core i7. وفي عامي 2011 و2012، أُتيحت فرصة وجيزة لوحدات FPGA للمعدنين الأكثر التزامًا. بعد ذلك، في 19 يناير 2013، أطلقت شركة Canaan Creative جهاز Avalon1، وهو أول جهاز ASIC تجاري مُصنّع خصيصًا لعملة البيتكوين. حققت الوحدة الأولى سرعة 60 جيجا هاش/ثانية باستهلاك 600 واط، وتم تصنيعها بتقنية 110 نانومتر. في ذلك الوقت، كانت شبكة البيتكوين العالمية تعمل بسرعة 20 تيراهاش/ثانية تقريبًا، مما يعني أن جهاز Avalon1 واحدًا كان قادرًا على تعدين ما يُقدّر بـ 15 إلى 20 بيتكوين يوميًا عند إطلاقه. بدأ تاريخ صناعة تعدين البيتكوين بشكلها الحالي منذ ذلك اليوم.

تأسست شركة Bitmain في نفس العام في بكين على يد جيهان وو وميكري زان. وفي عام 2016، ظهرت شركة MicroBT (العلامة التجارية Whatsminer) كشركة منبثقة عن شركة Bitmain بقيادة المهندس السابق يانغ زوكسينغ. وبحلول النصف الثاني من عام 2013، أصبح تعدين البيتكوين باستخدام وحدات معالجة الرسومات (GPU) غير مربح. أما تعدين البيتكوين باستخدام وحدات المعالجة المركزية (CPU) فقد توقف تمامًا منذ عامين. ومنذ ذلك الحين، أصبحت الطريقة الوحيدة المجدية اقتصاديًا لتعدين البيتكوين هي استخدام أجهزة ASIC. لا غير.

شهدت عمليات الاندماج والاستحواذ ازدهارًا ملحوظًا. تستحوذ شركة Bitmain حاليًا على ما يُقدّر بنحو 82% من سوق أجهزة تعدين العملات الرقمية ASIC العالمية. في عام 2024، فرضت الولايات المتحدة تعريفة جمركية بنسبة 25% بموجب المادة 301 على أجهزة تعدين العملات الرقمية ASIC المصنّعة في الصين، مما أدى إلى تغيير جذري في مواقع نشر أجهزة التعدين ومواقع تصنيع رقائق ASIC. وبات قطاع العملات الرقمية في صناعة أشباه الموصلات جزءًا لا يتجزأ من العلاقات التجارية بين الولايات المتحدة والصين.

مقارنة بين تعدين ASIC و GPU في 2026: معدل التجزئة، الواط، عائد الاستثمار

إن مقارنة جهاز تعدين ASIC بوحدة معالجة رسومية (GPU) على بيتكوين في 2026 ليست منافسة، بل خطأ في التصنيف. الأرقام توضح السبب.

اعتبارًا من 3 مايو، يُتداول البيتكوين بسعر يقارب 77,347 دولارًا أمريكيًا للعملة الواحدة، وفقًا لمؤشر أسعار فورتشن اليومي. ويبلغ معدل تجزئة الشبكة حوالي 1,012 إكساهاش/ثانية كمتوسط لمدة 7 أيام، وفقًا لمؤشر معدل التجزئة. أما مستوى الصعوبة فيقارب 136.61 تيرا، وبلغت مكافأة الكتلة 3.125 بيتكوين منذ تنصيفها في 19 أبريل 2024. ويبلغ سعر التجزئة - وهو العائد الذي يحققه المُعدِّن لكل وحدة من قوة التجزئة - 39.04 دولارًا أمريكيًا لكل بيتاهاش/ثانية/يوم، أي ما يعادل حوالي 0.039 دولارًا أمريكيًا لكل تيراهاش/يوم.

بافتراض سعر 0.07 دولار لكل كيلوواط ساعة، وهو سعر شائع في المزارع الكبيرة، يستهلك جهاز S21 Pro حوالي 84 كيلوواط ساعة يوميًا بتكلفة تقارب 5.88 دولار. صافي التكلفة بعد خصم الطاقة: بضعة دولارات يوميًا. يبلغ سعر الكهرباء اللازم لتغطية تكاليف جهاز S21 Pro، وفقًا لسعر التجزئة الحالي، حوالي 0.108 دولار لكل كيلوواط ساعة. يُقدّر استهلاك الشبكة بأكملها بما يتراوح بين 170 و180 تيراواط ساعة سنويًا، أي ما يعادل 0.7 إلى 0.8% من إجمالي استهلاك الكهرباء العالمي، وفقًا لمركز كامبريدج للتمويل البديل.

أما بالنسبة لوحدة معالجة الرسومات (GPU)، فإن بطاقة NVIDIA RTX 4090، وهي أفضل بطاقة رسومات للمستهلكين من الجيل السابق، تحسب خوارزمية SHA-256 للبيتكوين بسرعة تتراوح بين 1 و2 جيجا هاش/ثانية. أي ما يعادل 0.001 إلى 0.002 تيراهاش/ثانية، مقارنةً بـ 234,000 جيجا هاش/ثانية لبطاقة S21 Pro. تُعد S21 Pro أسرع بأكثر من 100,000 مرة من بطاقة رسومات سعرها 1,600 دولار. كما أنها تعمل بمستوى ضجيج 75 ديسيبل، وهو مستوى ضجيج مماثل لمستوى ضجيج مكنسة كهربائية على جانب الطريق، بينما تنخفض مستويات الضجيج في الطرازات المائية إلى 50 ديسيبل. بالنسبة لخوارزمية SHA-256، لا يُنصح باستخدام رقائق المعالجة العامة.

العملات القابلة للتعدين بواسطة وحدات معالجة الرسومات في 2026: حيث لا تزال وحدات معالجة الرسومات تتفوق على أجهزة ASIC

لا تزال حفنة من العملات التي تعتمد على إثبات العمل تُبقي وحدات معالجة الرسومات في اللعبة في 2026، ويرجع ذلك في الغالب إلى أن خوارزمياتها قد تم تصميمها لتكون معادية لرقائق ASIC.

تستخدم منصة Ergo خوارزمية Autolykos2، وهي خوارزمية تتطلب ذاكرة كبيرة، وظلت تعتمد على وحدة معالجة الرسومات فقط منذ إطلاقها. أما منصة Ravencoin فتستخدم خوارزمية KawPow، حيث تصل سرعة معالجة البيانات فيها باستخدام بطاقة RTX 4090 إلى حوالي 120 ميغاهاش/ثانية. وتستخدم منصة Alephium خوارزمية Blake3، ولا تزال تعتمد على وحدة معالجة الرسومات فقط عمليًا. وتعتمد منصة Monero على خوارزمية RandomX، المصممة خصيصًا للعمل على وحدة المعالجة المركزية فقط، والمبنية على توليد برامج عشوائية، مما يقضي على أي ميزة محتملة لتقنية ASIC. فقدت منصة Kaspa قدرتها على مقاومة تقنية ASIC في عام 2023، عندما قامت شركتا IceRiver وBitmain بشحن أجهزة ASIC مخصصة لتقنية kHeavyHash. ويتم تعدين خوارزمية Ethash الخاصة بمنصة Ethereum Classic باستخدام تقنية ASIC منذ عام 2018. أما خوارزمية Equihash الخاصة بمنصة Zcash فقد تم تعدينها باستخدام تقنية ASIC قبل ذلك بسنوات.

النمط ثابت. الخوارزميات التي تتطلب ذاكرة كبيرة أو التي يتم تدويرها بشكل متكرر تقاوم سيطرة الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) لسنوات. أما الخوارزميات الثابتة التي تتطلب حسابات مكثفة فتنهار دائمًا. هذه هي اقتصاديات السيليكون، لا أكثر.

Marco Lucchetti

Marco Lucchetti is a senior content strategist and blockchain analyst at Plisio. With over 7 years of experience in cryptocurrency research, DeFi protocols, and payment technologies, Marco specializes in creating clear, data-driven content for a global crypto audience. His work focuses on transaction tracing, crypto compliance, and the future of blockchain infrastructure.