ما هي عقدة العملية؟

إذا سبق لك أن نظرت إلى ورقة المواصفات أو الإعلان عن وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو وحدة معالجة الرسومات (GPU) أو حتى جهاز مدمج بالكامل مثل كمبيوتر محمول أو سطح مكتب، ربما تكون قد شاهدت ضجيجًا حول كيفية استخدام عملية أو عقدة أو معالجة بدقة 7 نانومتر أو 5 نانومتر أو حتى 4 نانومتر العقدة. ولكن مثل العديد من المواصفات التقنية، فإن عقدة العملية أكثر تعقيدًا بكثير من رقم بسيط، ونادرًا ما يتم تفسيره عن طريق التسويق، وليس شيئًا تحتاج في الواقع إلى الاهتمام به كثيرًا. إليك كل ما تحتاج لمعرفته حول عقد العملية، وما تعنيه فعليًا بالنسبة لرقائق الكمبيوتر.

عقد العملية: سبب كبير وراء زيادة سرعة المعالجات كل عام دون فشل

ترتبط عقد العملية بكل ما يتعلق بتصنيع الرقائق، والذي يُطلق عليه أيضًا التصنيع أو "التصنيع"، والذي يتم في منشآت تُعرف باسم المصانع المصنعة أو المسابك. على الرغم من أن جميع الرقائق تقريبًا يتم تصنيعها باستخدام السيليكون، إلا أن هناك عمليات تصنيع مختلفة يمكن أن تستخدمها المسابك، ومن هنا حصلنا على مصطلح العملية. تتكون المعالجات من العديد من الترانزستورات، وكلما زاد عدد الترانزستورات، كان ذلك أفضل، ولكن نظرًا لأن الرقائق لا يمكن أن تكون إلا كذلك كبير، حيث يعد تعبئة المزيد من الترانزستورات في الشريحة عن طريق تقليل المسافة بين الترانزستورات لزيادة الكثافة أمرًا كبيرًا اتفاق. إن اختراع عمليات أو عقد أحدث وأفضل هو الطريقة الأساسية لتحقيق كثافة أكبر.

يتم التمييز بين العمليات أو العقد المختلفة بطول تم قياسه تاريخيًا بالميكرومتر والنانومتر، وكلما انخفض الرقم، كانت العملية أفضل (فكر في قواعد الجولف). يستخدم هذا الرقم للإشارة إلى الأبعاد المادية للترانزستور، الذي يرغب المصنعون في تقليصه عند إنشاء عملية جديدة، ولكن بعد عقدة 28 نانومتر أصبح هذا الرقم تعسفيًا. عقدة TSMC 5 نانومتر ليست في الواقع 5 نانومتر، TSMC تريد منك فقط أن تعرف أنها أفضل من 7 نانومتر وليست بجودة 3 نانومتر. لنفس السبب، لا يمكن استخدام هذا الرقم لمقارنة العمليات الحديثة؛ تختلف دقة 5 نانومتر من TSMC تمامًا عن 5 نانومتر من سامسونج، وحتى في حالة عملية TSMC N4، فهي مختلفة تعتبر جزءًا من عائلة TSMC التي تبلغ دقتها 5 نانومتر. مربكة، وأنا أعلم.

لا تؤدي العمليات الجديدة إلى زيادة الكثافة فحسب، بل إنها تميل أيضًا إلى زيادة سرعة الساعة وكفاءتها. على سبيل المثال، عقدة TSCM مقاس 5 نانومتر (المستخدمة في رايزن 7000 و آر إكس 7000 يمكن للمعالجات) مقارنة بعملية 7 نانومتر الأقدم أن توفر إما سرعة ساعة أعلى بنسبة 15% بنفس الطاقة أو طاقة أقل بنسبة 30% بنفس التردد، أو مزيج من الاثنين على مقياس منزلق. كانت مكاسب التردد والكفاءة أكثر دراماتيكية حتى منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أدى تقلص الترانزستورات إلى تقليل استهلاك الطاقة بشكل مباشر في العمليات القديمة، وهو اتجاه يسمى Dennard التحجيم.

موت قانون مور وما علاقة العقد العملية به

الدافع الرئيسي للشركات لاستخدام عمليات أحدث هو مواكبة ما يسمى قانون مور، وهي ملاحظة أدلى بها شخصية أشباه الموصلات الأسطورية جوردون مور في عام 1965. نص القانون الأصلي على أن معدل نمو الترانزستورات في أسرع وحدة معالجة مركزية يتضاعف كل عامين؛ إذا كان أسرع معالج في عام واحد يحتوي على 500 مليون ترانزستور، في غضون عامين يجب أن يكون هناك معالج يحتوي على مليار ترانزستور. وعلى مدار أكثر من 40 عامًا، تمكنت الصناعة من الحفاظ على هذه الوتيرة من خلال اختراع عمليات جديدة، كل منها بكثافة أعلى من سابقتها.

ومع ذلك، بدأت الصناعة تواجه عقبات في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. أولاً، انهار تحجيم Dennard حول علامة 65 نانومتر إلى 45 نانومتر في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ولكن بعد ظهور عملية 32 نانومتر في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، انفتحت أبواب الجحيم. بالنسبة لمعظم المسابك، كانت هذه هي العقدة الرئيسية الأخيرة التي سيتم تسليمها لسنوات. كانت دقة 20 نانومتر من TSCM منذ عام 2014 سيئة بكل بساطة، وكانت عملية 16 نانومتر فقط في عام 2015 بمثابة ترقية جديرة بالاهتمام من 28 نانومتر في عام 2011، ولم تفعل سامسونج ذلك وصلت إلى 14 نانومتر حتى عام 2015، واضطرت شركة GlobalFoundries (التي انفصلت عن مصنعي AMD في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين) إلى استئجار تقنية 14 نانومتر من سامسونج بدلاً من تصنيعها ملك.

أحد الاستثناءات الملحوظة لهذا الاضطراب كانت شركة Intel، التي نجحت في إطلاق عملية 22 نانومتر في عام 2011. ومع ذلك، بدأ الجدول الزمني لإصدار Intel وجودة العملية في التراجع بعد علامة 22 نانومتر. كان من المفترض أن يتم إصدار عملية 14 نانومتر في عام 2013 ولكن تم إصدارها في عام 2014 بسرعات منخفضة على مدار الساعة ومستويات عالية من العيوب. إن أهداف إنتل السخيفة من خلال العقدة 10 نانومتر الخاصة بها حُكم عليها في النهاية بجحيم التطوير، حيث فقدت نافذة الإطلاق في عام 2015. وصلت أول شريحة 10 نانومتر في عام 2018، و إنها واحدة من أسوأ وحدات المعالجة المركزية من Intel على الإطلاق. لم تكن تقنية 10nm من Intel، التي أعيدت تسميتها إلى Intel 7 لأغراض التسويق، جاهزة تمامًا حتى عام 2021.

تتعلق الكارثة الأخيرة بعقدة TSMC ذات 3 نانومتر، والذي يوفر تحسنًا كبيرًا في الكثافة في الترانزستورات المنطقية (والتي تشكل النوى في وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات، من بين أشياء أخرى)، ولكن حرفيًا لا يوجد أي تحسن على الإطلاق في الكثافة في ذاكرة التخزين المؤقت، والمعروفة أيضًا باسم SRAM. يعد عدم القدرة على تقليص ذاكرة التخزين المؤقت بمثابة كارثة كاملة، ومن المحتمل أن تواجه المسابك مشكلات مماثلة في العقد المستقبلية. حتى لو كانت TSMC هي الشركة المصنعة الوحيدة التي تكافح لتقليص ذاكرة التخزين المؤقت، فهي أيضًا أكبر منتج للرقائق على هذا الكوكب.

عندما تقرأ عن وفاة قانون مور، فهذا ما يعنيه، لأنه إذا لم تتمكن الشركات من زيادة الكثافة عامًا بعد عام، فلن يتمكن عدد الترانزستورات من الارتفاع. إذا لم يتمكن عدد الترانزستور من الارتفاع، فهذا يعني أن قانون مور قد مات. واليوم، تركز الشركات على مواكبة الآثار المترتبة على قانون مور، بدلاً من التأثيرات الفنية. إذا تضاعف الأداء كل عامين، فكل شيء على ما يرام. تستخدم AMD وIntel شرائح صغيرة لزيادة عدد الترانزستورات والأداء مع تقليل التكاليف، وتعتمد Nvidia فقط على الذكاء الاصطناعي لتعويض النقص.

وفي نهاية المطاف، تعد عقد العملية مجرد عامل واحد يحدد ما إذا كانت الشريحة جيدة أم لا

مع الأخذ في الاعتبار أن عملية جديدة يمكن أن تجعل الشريحة أصغر حجمًا، وتزيد من سرعة الساعة، وتجعلها أكبر تتسم بالكفاءة، وكل ذلك دون إجراء أي تغييرات كبيرة على التصميم أو الهندسة المعمارية، ومن الواضح سبب كون العمليات على هذا النحو مهم. ومع ذلك، فإن عوامل أخرى مثل التعبئة والتغليف (مثل الشرائح الصغيرة أو البلاط أو شرائح التراص) والذكاء الاصطناعي أصبحت قابلة للتطبيق بشكل متزايد طرق لإعطاء قيمة للمعالج من خلال تعزيز الأداء أو إضافة ميزات، ناهيك عن التحسين البسيط في برمجة. إن موت قانون مور أمر غير مثالي، ولكنه ليس نهاية صناعة أشباه الموصلات.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن العقد تتم تسميتها لأسباب تسويقية، فلا يوجد سبب حقيقي لتقدير كفاءة الشريحة بناءً على عمليتها فقط؛ على سبيل المثال، دقة 10 نانومتر من Intel هي في الواقع بنفس جودة دقة 7 نانومتر من TSMC على الرغم من أن 7 أقل من 10. ومع ذلك، فمن الصحيح أيضًا أن العملية ليست الميزة الوحيدة التي تهم المعالج. كانت الكثير من وحدات المعالجة المركزية (CPUs) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) والمعالجات الأخرى سيئة على الرغم من وجودها على عقد جيدة، مثل معالجات AMD Radeon VII، والتي كانت بمثابة عقدة عملية كاملة قبل RTX 2080 Ti من Nvidia ومع ذلك كانت بطيئة جدًا لدرجة أنها كانت واحدة من أسوأ وحدات معالجة الرسومات على الإطلاق.

في حد ذاتها، لا تعني عقدة عملية الشريحة أي شيء. سيكون الأمر مثل شراء وحدة المعالجة المركزية (CPU) بناءً فقط على عدد النوى الموجودة بها، أو شراء وحدة تحكم لأنها تتمتع بمعالجة سريعة. ما يهم حقًا في المعالج هو أدائه الفعلي، والذي يعود إلى مواصفات الأجهزة الأخرى ومدى جودة التطبيقات المحسنة لتلك الأجهزة. إذا كنت تريد فقط معرفة ما أفضل وحدة المعالجة المركزية أو GPU أو حاسوب محمول هو أن عقدة العملية لن تخبرك بذلك. إنه يخبرك فقط من صنع الرقاقة.