Co je to procesní uzel?

Pokud jste se někdy podívali na technický list nebo reklamu na CPU, GPU nebo dokonce plně sestavené zařízení, jako je notebook nebo stolní počítač, pravděpodobně jste viděli humbuk kolem toho, jak používá 7nm nebo 5nm nebo dokonce 4nm proces, uzel nebo proces uzel. Ale stejně jako mnoho technických specifikací je procesní uzel mnohem komplikovanější než jednoduché číslo, zřídka vysvětlované marketingem, a není to něco, o co byste se ve skutečnosti museli příliš starat. Zde je vše, co potřebujete vědět o procesních uzlech, co vlastně znamenají pro počítačové čipy.

Procesní uzly: velký důvod, proč jsou procesory každým rokem bez problémů rychlejší

Procesní uzly mají vše co do činění s výrobou čipů, také nazývanou fabrication nebo "fabbing", která se odehrává v zařízeních známých jako továrny nebo slévárny. I když jsou prakticky všechny čipy vyráběny pomocí křemíku, existují různé výrobní postupy, které mohou slévárny používat, a odtud dostáváme termín proces. Procesory se skládají z mnoha tranzistorů a čím více tranzistorů, tím lépe, ale protože čipy mohou být pouze tak velké, zabalit více tranzistorů do čipu zmenšením prostoru mezi tranzistory za účelem zvýšení hustoty je velké obchod. Vynález novějších a lepších procesů nebo uzlů je primární způsob, jak dosáhnout větší hustoty.

Různé procesy nebo uzly jsou rozlišeny délkou, která se historicky měřila v mikrometrech a nanometrech, a čím nižší číslo, tím lepší proces (myslím na pravidla golfu). Toto číslo dříve označovalo fyzické rozměry tranzistoru, které chtějí výrobci při vytváření nového procesu zmenšit, ale po 28nm uzlu se tento údaj stal libovolným. 5nm uzel TSMC ve skutečnosti není 5nm, TSMC jen chce, abyste věděli, že je lepší než 7nm a ne tak dobrý jako 3nm. Ze stejného důvodu nelze toto číslo použít k porovnání moderních procesů; 5nm TSMC je zcela odlišný od 5nm Samsung, a dokonce i v případě procesu TSMC N4 je považovány za součást 5nm rodiny TSMC. Matoucí, já vím.

Nové procesy nezvyšují pouze hustotu, ale mají také tendenci zvyšovat rychlost hodin a efektivitu. Například 5nm uzel TSCM (používaný v Ryzen 7000 a RX 7000 procesory) ve srovnání se svým starším 7nm procesem může poskytnout buď o 15 % vyšší takt při stejném výkonu, nebo o 30 % nižší výkon při stejné frekvenci, nebo kombinaci obou na klouzavém měřítku. Nárůst frekvence a účinnosti býval mnohem dramatičtější až do poloviny 21. století zmenšování tranzistorů přímo snížilo spotřebu energie ve starších procesech, což je trend nazývaný Dennard škálování.

Smrt Moorova zákona a co s tím mají co do činění procesní uzly

Klíčovou motivací pro společnosti používat novější procesy je držet krok s něčím, co se nazývá Moorův zákon, pozorování legendárního polovodičového figuranta Gordona Moora v roce 1965. Původní zákon uváděl, že tempo růstu tranzistorů v nejrychlejším CPU se každé dva roky zdvojnásobuje; pokud má nejrychlejší procesor v jednom roce 500 milionů tranzistorů, za dva roky by měl být takový, který má miliardu tranzistorů. Více než 40 let byl průmysl schopen udržet toto tempo vynalézáním nových procesů, z nichž každý měl vyšší hustotu než ten předchozí.

Nicméně, průmysl začal narážet na překážky v 2000s. Nejprve se Dennardovo škálování zhroutilo kolem hranice 65nm až 45nm v polovině roku 2000, ale poté, co se koncem roku 2000 a začátkem roku 2010 objevil 32nm proces, se rozpoutalo peklo. Pro většinu sléváren to byl poslední velký uzel, který na léta dodali. 20nm TSCM z roku 2014 byl prostě špatný a pouze jeho 16nm proces v roce 2015 byl hodnotným upgradem z 28nm v roce 2011, Samsung to neudělal dostat se na 14nm do roku 2015 a GlobalFoundries (odtržené od továren AMD v roce 2000) si musely 14nm od Samsungu pronajmout, než aby je vyrobily. vlastní.

Jednou z výrazných výjimek z tohoto chaosu byl Intel, který v roce 2011 úspěšně dostal svůj 22nm proces. Plán vydání a kvalita procesů společnosti Intel však začaly po 22nm značce klesat. Jeho 14nm proces měl vyjít v roce 2013, ale byl vydán v roce 2014 s nízkými takty a vysokou mírou defektů. Směšné cíle Intelu s jeho 10nm uzlem ho nakonec odsoudily do vývojářského pekla, protože v roce 2015 zmeškal startovací okno. První 10nm čip dorazil v roce 2018 a je to jeden z nejhorších procesorů Intel vůbec. 10nm Intel, přejmenovaný na Intel 7 pro marketingové účely, nebyl zcela připraven až do roku 2021.

Poslední katastrofa se týká 3nm uzlu TSMC, který poskytuje významné zlepšení hustoty v logických tranzistorech (které mimo jiné tvoří jádra v CPU a GPU), ale doslova žádné zlepšení hustoty v cache, známá také jako SRAM. Neschopnost zmenšit mezipaměť je naprostá katastrofa a je možné, že slévárny mohou narazit na podobné problémy na budoucích uzlech. I když je TSMC jedinou fab, která se snaží zmenšit vyrovnávací paměť, je také největším výrobcem čipů na planetě.

Když čtete o smrti Moorova zákona, znamená to toto, protože pokud společnosti nemohou rok co rok zvyšovat hustotu, počet tranzistorů nemůže stoupat. Pokud se počet tranzistorů nemůže zvýšit, znamená to, že Moorův zákon je mrtvý. Dnes se společnosti zaměřují spíše na to, aby držely krok s výkonnostními implikacemi Moorova zákona, než s těmi technickými. Pokud se výkon každé dva roky zdvojnásobí, pak je vše v pořádku. AMD a Intel používají čiplety ke zvýšení počtu tranzistorů i výkonu při současném snížení nákladů a Nvidia spoléhá pouze na AI, aby nabrala nedostatek.

Procesní uzly jsou v konečném důsledku pouze jedním z faktorů, zda je čip dobrý

Vzhledem k tomu, že nový proces může čip zmenšit, zvýšit takt a zvýšit jeho výkon efektivní, to vše bez zásadních změn v designu nebo architektuře, je zřejmé, proč jsou procesy takové Důležité. Nicméně další faktory, jako je balení (jako jsou chiplety nebo dlaždice nebo stohovací žetony) a umělá inteligence, jsou stále životaschopnější. způsoby, jak dát procesoru hodnotu zvýšením výkonu nebo přidáním funkcí, nemluvě o jednoduché optimalizaci software. Smrt Moorova zákona není ideální, ale není to konec polovodičového průmyslu.

Navíc, protože uzly jsou pojmenovány z marketingových důvodů, neexistuje žádný skutečný důvod odhadovat kompetenci čipu pouze na základě jeho procesu; například 10nm Intel je ve skutečnosti asi tak dobrý jako 7nm TSMC, přestože 7 je méně než 10. Je však také pravda, že proces není jedinou funkcí, na které u procesoru záleží. Spousta CPU, GPU a dalších procesorů bylo špatných, přestože byly na dobrých uzlech, jako jsou AMD Radeon VII, který byl plně procesním uzlem před Nvidia RTX 2080 Ti, a přesto byl tak pomalý, že byl jedno z nejhorších GPU vůbec.

Procesní uzel čipu sám o sobě nic neznamená. Bylo by to jako kupovat CPU pouze podle toho, kolik má jader, nebo konzoli, protože má vysoké zpracování. U procesoru opravdu záleží na jeho skutečném výkonu, který závisí na dalších hardwarových specifikacích a na tom, jak dobře jsou aplikace pro tento hardware optimalizované. Pokud jen chcete vědět, co nejlepší CPU nebo GPU nebo notebook je, procesní uzel vám to neřekne. Jen vám řekne, kdo čip vyrobil.