Was ist ein Prozessknoten?

Wenn Sie sich jemals das Datenblatt oder eine Werbung für eine CPU, GPU oder sogar ein vollständig gebautes Gerät wie ein angesehen haben Ob Laptop oder Desktop, Sie haben wahrscheinlich einen Hype um die Verwendung eines 7-nm-, 5-nm- oder sogar 4-nm-Prozesses, -Knotens oder -Prozesses gesehen Knoten. Aber wie viele technische Spezifikationen ist der Prozessknoten viel komplizierter als eine einfache Zahl, wird vom Marketing selten erklärt und ist nichts, worüber man sich eigentlich besonders Gedanken machen muss. Hier erfahren Sie alles, was Sie über Prozessknoten wissen müssen und was sie für Computerchips eigentlich bedeuten.

Prozessknoten: ein wichtiger Grund, warum Prozessoren jedes Jahr immer schneller werden

Prozessknoten haben alles mit der Chipherstellung zu tun, auch Fabrikation oder „Fabbing“ genannt, die in Einrichtungen stattfindet, die als Fabs oder Foundries bekannt sind. Obwohl praktisch alle Chips aus Silizium hergestellt werden, können Gießereien unterschiedliche Herstellungsverfahren anwenden, und daher kommt der Begriff „Prozess“. Prozessoren bestehen aus vielen Transistoren, und je mehr Transistoren, desto besser, aber da Chips nur so sein können groß, mehr Transistoren in einen Chip zu packen, indem der Abstand zwischen den Transistoren verringert wird, um die Dichte zu erhöhen, ist eine große Sache handeln. Die Erfindung neuer und besserer Prozesse oder Knoten ist der wichtigste Weg, um eine höhere Dichte zu erreichen.

Verschiedene Prozesse oder Knoten unterscheiden sich durch eine Länge, die in der Vergangenheit in Mikrometern und Nanometern gemessen wurde. Je niedriger die Zahl, desto besser der Prozess (denken Sie an Golfregeln). Diese Zahl bezog sich früher auf die physikalischen Abmessungen eines Transistors, die Hersteller bei der Entwicklung eines neuen Prozesses verkleinern wollten, aber nach dem 28-nm-Knoten wurde diese Zahl willkürlich. Der 5-nm-Knoten von TSMC ist eigentlich kein 5-nm-Knoten. TSMC möchte Sie nur wissen lassen, dass er besser als 7 nm und nicht so gut wie 3 nm ist. Aus dem gleichen Grund kann diese Zahl nicht zum Vergleich moderner Prozesse herangezogen werden; Das 5-nm-Verfahren von TSMC unterscheidet sich völlig vom 5-nm-Verfahren von Samsung, und selbst im Fall des N4-Prozesses von TSMC ist es anders Gilt als Teil der 5-nm-Familie von TSMC. Verwirrend, ich weiß.

Neue Prozesse erhöhen jedoch nicht nur die Dichte, sondern tendenziell auch die Taktgeschwindigkeit und Effizienz. Zum Beispiel der 5-nm-Knoten von TSCM (verwendet in Ryzen 7000 Und RX 7000 Prozessoren) im Vergleich zu seinem älteren 7-nm-Prozess kann entweder eine 15 % höhere Taktrate bei gleicher Leistung oder 30 % niedrigere Leistung bei gleicher Frequenz oder eine Kombination aus beiden auf einer gleitenden Skala bieten. Bis Mitte der 2000er Jahre waren die Frequenz- und Effizienzsteigerungen jedoch viel dramatischer Schrumpfende Transistoren reduzierten direkt den Stromverbrauch in älteren Prozessen, ein Trend namens Dennard Skalierung.

Der Tod des Mooreschen Gesetzes und was Prozessknoten damit zu tun haben

Die Hauptmotivation für Unternehmen, neuere Prozesse einzusetzen, besteht darin, mit dem sogenannten Mooreschen Gesetz Schritt zu halten, einer Beobachtung des legendären Halbleiterprofis Gordon Moore aus dem Jahr 1965. Das ursprüngliche Gesetz besagte, dass sich die Wachstumsrate der Transistoren in der schnellsten CPU alle zwei Jahre verdoppelt; Wenn der schnellste Prozessor in einem Jahr 500 Millionen Transistoren hat, sollte es in zwei Jahren einen geben, der eine Milliarde Transistoren hat. Mehr als 40 Jahre lang gelang es der Industrie, dieses Tempo durch die Erfindung neuer Prozesse mitzuhalten, von denen jedes eine höhere Dichte als das andere aufwies.

In den 2000er Jahren geriet die Branche jedoch in Schwierigkeiten. Zunächst brach die Dennard-Skalierung Mitte der 2000er-Jahre um die 65-nm- bis 45-nm-Marke zusammen, doch nachdem Ende der 2000er- und Anfang der 2010er-Jahre der 32-nm-Prozess auf den Markt kam, brach die Hölle los. Für die meisten Gießereien war dies der letzte große Knoten, den sie seit Jahren liefern würden. Der 20-nm-Prozess von TSCM aus dem Jahr 2014 war einfach schlecht und nur der 16-nm-Prozess im Jahr 2015 war ein lohnenswertes Upgrade von 28 nm im Jahr 2011, Samsung nicht bis 2015 auf 14 nm zu kommen, und GlobalFoundries (in den 2000er Jahren aus AMDs Fabriken ausgegliedert) musste die 14 nm von Samsung leasen, anstatt sie selbst herzustellen eigen.

Eine bemerkenswerte Ausnahme von diesem Aufruhr war Intel, das seinen 22-nm-Prozess im Jahr 2011 erfolgreich auf den Markt brachte. Nach der 22-nm-Marke begannen Intels Release-Zeitplan und die Prozessqualität jedoch zu schwächeln. Der 14-nm-Prozess sollte eigentlich 2013 auf den Markt kommen, kam aber 2014 mit niedrigen Taktraten und vielen Fehlern auf den Markt. Intels lächerliche Ziele mit seinem 10-nm-Knoten haben es letztendlich in die Entwicklungshölle verdammt und das Startfenster für 2015 verpasst. Der erste 10-nm-Chip kam 2018 auf den Markt Es ist eine der schlechtesten CPUs von Intel überhaupt. Intels 10-nm-Technologie, aus Marketinggründen in Intel 7 umbenannt, war erst 2021 vollständig fertig.

Die jüngste Katastrophe betrifft den 3-nm-Knoten von TSMC, was zu einer deutlichen Verbesserung der Dichte von Logiktransistoren führt (aus denen unter anderem die Kerne von CPUs und GPUs bestehen), aber im wahrsten Sinne des Wortes keinerlei Verbesserung der Dichte in Cache, auch bekannt als SRAM. Es ist eine völlige Katastrophe, den Cache nicht verkleinern zu können, und es besteht die Möglichkeit, dass Foundries auf zukünftigen Knoten auf ähnliche Probleme stoßen. Auch wenn TSMC die einzige Fabrik ist, die Schwierigkeiten hat, den Cache zu verkleinern, ist sie doch auch der größte Chipproduzent der Welt.

Wenn Sie vom Tod des Mooreschen Gesetzes lesen, bedeutet es Folgendes: Wenn Unternehmen die Dichte nicht Jahr für Jahr erhöhen können, kann die Anzahl der Transistoren nicht steigen. Wenn die Transistorzahl nicht steigen kann, bedeutet das, dass das Mooresche Gesetz tot ist. Heutzutage konzentrieren sich Unternehmen darauf, mit den Auswirkungen des Mooreschen Gesetzes auf die Leistung Schritt zu halten, statt auf technische Aspekte. Wenn sich die Leistung alle zwei Jahre verdoppelt, ist alles in Ordnung. AMD und Intel nutzen Chiplets, um sowohl die Transistoranzahl als auch die Leistung zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten zu senken, und Nvidia verlässt sich ausschließlich auf KI, um die Lücke zu schließen.

Letztendlich sind Prozessknoten nur ein Faktor dafür, ob ein Chip gut ist

Wenn man bedenkt, dass ein neuer Prozess einen Chip kleiner machen, seine Taktrate steigern und ihn größer machen kann effizient, und das alles ohne große Änderungen am Design oder der Architektur. Es ist offensichtlich, warum Prozesse so sind wichtig. Allerdings werden auch andere Faktoren wie Verpackungen (z. B. Chiplets oder Kacheln oder Stapelchips) und KI zunehmend realisierbar Möglichkeiten, einem Prozessor einen Mehrwert zu verleihen, indem man die Leistung steigert oder Funktionen hinzufügt, ganz zu schweigen von der einfachen Optimierung Software. Das Ende des Mooreschen Gesetzes ist zwar unideal, aber es bedeutet nicht das Ende der Halbleiterindustrie.

Da Knoten außerdem aus Marketinggründen benannt werden, gibt es keinen wirklichen Grund, die Kompetenz eines Chips allein anhand seines Prozesses abzuschätzen. Beispielsweise sind die 10 nm von Intel tatsächlich ungefähr so ​​gut wie die 7 nm von TSMC, obwohl 7 weniger als 10 ist. Allerdings ist es auch wahr, dass ein Prozess nicht die einzige Funktion ist, die bei einem Prozessor zählt. Viele CPUs, GPUs und andere Prozessoren waren fehlerhaft, obwohl sie sich auf guten Knoten, wie z. B. AMDs, befanden Radeon VII, die der RTX 2080 Ti von Nvidia einen Full-Process-Knoten voraus war und dennoch so langsam war eine der schlechtesten GPUs aller Zeiten.

Der Prozessknoten eines Chips allein hat keine Bedeutung. Es wäre so, als würde man eine CPU allein aufgrund der Anzahl der Kerne kaufen oder eine Konsole, weil sie über Blast-Processing verfügt. Was bei einem Prozessor wirklich zählt, ist seine tatsächliche Leistung, die von anderen Hardwarespezifikationen abhängt und davon, wie gut Anwendungen für diese Hardware optimiert sind. Wenn Sie nur wissen wollen, was das ist beste CPU oder GPU oder Laptop Das heißt, der Prozessknoten wird Ihnen das nicht sagen. Es sagt Ihnen nur, wer den Chip hergestellt hat.