Какво е процесен възел?

Ако някога сте гледали спецификационния лист или реклама за CPU, GPU или дори напълно изградено устройство като лаптоп или настолен компютър, вероятно сте виждали шум около това как използва 7nm или 5nm, или дори 4nm процес, възел или процес възел. Но като много технически спецификации, възелът на процеса е много по-сложен от просто число, рядко се обяснява от маркетинга и не е нещо, за което всъщност трябва да се интересувате твърде много. Ето всичко, което трябва да знаете за процесните възли, какво всъщност означават те за компютърните чипове.

Процесни възли: голяма причина процесорите да стават по-бързи всяка година безотказно

Процесорните възли имат всичко общо с производството на чипове, наричано още производство или „изработка“, което се извършва в съоръжения, известни като заводи или леярни. Въпреки че практически всички чипове са произведени с помощта на силиций, има различни производствени процеси, които леярните могат да използват и тук получаваме термина процес. Процесорите са съставени от много транзистори и колкото повече транзистори, толкова по-добре, но тъй като чиповете могат да бъдат само голям, опаковането на повече транзистори в чип чрез намаляване на пространството между транзисторите за увеличаване на плътността е голямо сделка. Изобретяването на по-нови и по-добри процеси или възли е основният начин за постигане на по-голяма плътност.

Различните процеси или възли се различават по дължина, която исторически е била измервана в микрометри и нанометри, и колкото по-ниско е числото, толкова по-добър е процесът (помислете за правилата за голф). Това число се отнасяше за физическите размери на транзистора, които производителите искат да намалят, когато създават нов процес, но след 28nm възела тази цифра стана произволна. 5nm възелът на TSMC всъщност не е 5nm, TSMC просто иска да знаете, че е по-добър от 7nm и не толкова добър, колкото 3nm. По същата причина тази цифра не може да се използва за сравнение на съвременните процеси; 5nm на TSMC е напълно различен от 5nm на Samsung и дори в случая с N4 процеса на TSMC, той е счита се за част от 5nm семейството на TSMC. Объркващо, знам.

Новите процеси обаче не само увеличават плътността, но също така имат тенденция да увеличават тактовата честота и ефективността. Например, 5nm възел на TSCM (използван в Ryzen 7000 и RX 7000 процесори) в сравнение със своя по-стар 7nm процес може да осигури или 15% по-висока тактова честота при същата мощност, или 30% по-ниска мощност при същата честота, или комбинация от двете по плъзгаща се скала. Увеличаването на честотата и ефективността обаче беше много по-драматично до средата на 2000-те години, тъй като свиването на транзисторите директно намалява консумацията на енергия в по-старите процеси, тенденция, наречена Dennard мащабиране.

Смъртта на закона на Мур и какво общо имат процесните възли с него

Основната мотивация за компаниите да използват по-нови процеси е да вървят в крак с нещо, наречено закон на Мур, наблюдение, направено от легендарната полупроводникова фигура Гордън Мур през 1965 г. Първоначалният закон гласи, че темпът на растеж на транзисторите в най-бързия процесор се удвоява на всеки две години; ако най-бързият процесор за една година има 500 милиона транзистора, след две години трябва да има един милиард транзистора. Повече от 40 години индустрията успя да поддържа това темпо чрез изобретяването на нови процеси, всеки с по-висока плътност от предишния.

Въпреки това индустрията започна да се сблъсква с проблеми през 2000-те години. Първо, мащабирането на Dennard се срина около марката от 65nm до 45nm в средата на 2000-те, но след като 32nm процесът излезе в края на 2000-те и началото на 2010-те, всичко се разрази. За повечето леярни това беше последният голям възел, който доставяха от години. 20nm на TSCM от 2014 г. беше просто лош и само неговият 16nm процес през 2015 г. беше надстройка, която си заслужаваше от 28nm през 2011 г., Samsung не стигнем до 14nm до 2015 г. и GlobalFoundries (отделя се от фабриките на AMD през 2000-те години) трябваше да наеме 14nm на Samsung, вместо да направи своя собствен.

Едно забележително изключение от този смут беше Intel, който успешно пусна своя 22nm процес през вратата през 2011 г. Въпреки това, графикът за пускане на Intel и качеството на процесите започнаха да се подхлъзват след 22nm марката. Неговият 14nm процес трябваше да излезе през 2013 г., но беше пуснат през 2014 г. с ниски тактови скорости и високи нива на дефекти. Нелепите цели на Intel с неговия 10nm възел в крайна сметка го обрекоха на ада на разработката, пропускайки своя прозорец за стартиране през 2015 г. Първият 10nm чип пристигна през 2018 г. и това е един от най-лошите процесори на Intel изобщо. 10nm на Intel, преименуван на Intel 7 за маркетингови цели, не беше напълно готов до 2021 г.

Последното бедствие засяга 3nm възела на TSMC, което осигурява значително подобрение на плътността на логическите транзистори (които съставят ядрата в процесорите и графичните процесори, наред с други неща), но буквално никакво подобрение на плътността в кеш, известен също като SRAM. Неспособността да свиете кеша е пълна катастрофа и е възможно леярните да се сблъскат с подобни проблеми на бъдещи възли. Дори ако TSMC е единствената фабрика, която се бори да намали кеша, тя е и най-големият производител на чипове на планетата.

Когато четете за смъртта на закона на Мур, това означава това, защото ако компаниите не могат да увеличават плътността година след година, броят на транзисторите не може да расте. Ако броят на транзисторите не може да се увеличи, това означава, че законът на Мур е мъртъв. Днес компаниите са фокусирани върху това да бъдат в крак с последиците от Закона на Мур за ефективността, а не върху техническите. Ако производителността се удвоява на всеки две години, тогава всичко е наред. AMD и Intel използват чиплети, за да увеличат както броя на транзисторите, така и производителността, като същевременно намалят разходите, а Nvidia разчита единствено на AI, за да се справи със застой.

В крайна сметка процесните възли са само един фактор за това дали чипът е добър

Като се има предвид, че нов процес може да направи чипа по-малък, да му даде тласък на тактовата честота и да го направи по- ефективни, всичко това без да се правят големи промени в дизайна или архитектурата, очевидно е защо процесите са такива важно. Въпреки това, други фактори като опаковка (като чипове или плочки или подреждане на чипове) и AI стават все по-жизнеспособни начини за придаване на стойност на процесор чрез повишаване на производителността или добавяне на функции, да не говорим за проста оптимизация в софтуер. Смъртта на закона на Мур е неидеална, но това не е краят на полупроводниковата индустрия.

Освен това, тъй като възлите са наименувани по маркетингови причини, няма истинска причина да се оценява компетентността на чипа само въз основа на неговия процес; например, 10nm на Intel всъщност е толкова добър, колкото 7nm на TSMC, въпреки че 7 е по-малко от 10. Но също така е вярно, че процесът не е единствената характеристика, която има значение в процесора. Много CPU, GPU и други процесори са лоши, въпреки че са на добри възли, като например AMD Radeon VII, който беше пълен процесен възел пред RTX 2080 Ti на Nvidia и въпреки това беше толкова бавен, че да бъде един от най-лошите GPU досега.

Сам по себе си процесният възел на чипа не означава нищо. Би било като да закупите процесор само въз основа на това колко ядра има или конзола, защото има висока обработка. Това, което наистина има значение в един процесор, е действителната му производителност, която се свежда до други хардуерни спецификации и доколко добре са оптимизирани приложенията за този хардуер. Ако просто искате да знаете какво най-добър процесор или GPU или лаптоп е, процесният възел няма да ви каже това. Просто ви казва кой е направил чипа.