Τι είναι ένας κόμβος διεργασίας;

Εάν έχετε δει ποτέ το φύλλο προδιαγραφών ή μια διαφήμιση για μια CPU, μια GPU ή ακόμα και μια πλήρως κατασκευασμένη συσκευή όπως φορητός υπολογιστής ή επιτραπέζιος υπολογιστής, πιθανότατα έχετε δει διαφημιστική εκστρατεία σχετικά με το πώς χρησιμοποιεί μια διαδικασία, κόμβο ή διεργασία 7nm ή 5nm ή ακόμα και 4nm κόμβος. Αλλά όπως πολλές τεχνικές προδιαγραφές, ο κόμβος διαδικασίας είναι πολύ πιο περίπλοκος από έναν απλό αριθμό, που σπάνια εξηγείται από το μάρκετινγκ, και όχι κάτι για το οποίο πραγματικά πρέπει να ενδιαφέρεστε πάρα πολύ. Εδώ είναι όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για τους κόμβους διεργασίας, τι σημαίνουν στην πραγματικότητα για τα τσιπ υπολογιστών.

Κόμβοι διεργασιών: ένας μεγάλος λόγος για τον οποίο οι επεξεργαστές γίνονται ταχύτεροι κάθε χρόνο χωρίς αποτυχία

Οι κόμβοι διεργασίας έχουν να κάνουν με την κατασκευή τσιπ, που ονομάζεται επίσης κατασκευή ή "fabbing", η οποία πραγματοποιείται σε εγκαταστάσεις γνωστές ως fabs ή χυτήρια. Παρόλο που σχεδόν όλα τα τσιπ κατασκευάζονται με χρήση πυριτίου, υπάρχουν διαφορετικές διαδικασίες παραγωγής που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα χυτήρια, και εδώ είναι που παίρνουμε τον όρο διεργασία. Οι επεξεργαστές αποτελούνται από πολλά τρανζίστορ, και όσο περισσότερα τρανζίστορ, τόσο το καλύτερο, αλλά επειδή τα τσιπ μπορούν να είναι μόνο έτσι μεγάλο, η συσκευασία περισσότερων τρανζίστορ σε ένα τσιπ μειώνοντας τον χώρο μεταξύ των τρανζίστορ για να αυξηθεί η πυκνότητα είναι μεγάλη συμφωνία. Η εφεύρεση νεότερων και καλύτερων διεργασιών ή κόμβων είναι ο πρωταρχικός τρόπος για την επίτευξη μεγαλύτερης πυκνότητας.

Οι διαφορετικές διεργασίες ή κόμβοι διαφοροποιούνται από ένα μήκος που έχει ιστορικά μετρηθεί σε μικρόμετρα και νανόμετρα, και όσο μικρότερος είναι ο αριθμός, τόσο καλύτερη είναι η διαδικασία (σκεφτείτε τους κανόνες του γκολφ). Αυτός ο αριθμός αναφερόταν στις φυσικές διαστάσεις ενός τρανζίστορ, τις οποίες οι κατασκευαστές θέλουν να συρρικνώσουν κατά τη δημιουργία μιας νέας διεργασίας, αλλά μετά τον κόμβο των 28 nm, ο αριθμός αυτός έγινε αυθαίρετος. Ο κόμβος 5nm του TSMC δεν είναι στην πραγματικότητα 5nm, η TSMC θέλει απλώς να γνωρίζετε ότι είναι καλύτερος από 7nm και όχι τόσο καλός όσο τα 3nm. Για τον ίδιο λόγο, αυτός ο αριθμός δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύγκριση σύγχρονων διαδικασιών. Τα 5nm της TSMC είναι εντελώς διαφορετικά από τα 5nm της Samsung, και ακόμη και στην περίπτωση της διαδικασίας N4 της TSMC, είναι θεωρείται μέρος της οικογένειας 5nm της TSMC. Μπερδεμένο, το ξέρω.

Οι νέες διαδικασίες δεν αυξάνουν απλώς την πυκνότητα, ωστόσο, τείνουν επίσης να αυξάνουν την ταχύτητα και την απόδοση του ρολογιού. Για παράδειγμα, ο κόμβος 5nm του TSCM (χρησιμοποιείται σε Ryzen 7000 και RX 7000 επεξεργαστές) σε σύγκριση με την παλαιότερη διεργασία των 7 nm μπορεί να παρέχει είτε 15% υψηλότερη ταχύτητα ρολογιού με την ίδια ισχύ ή 30% χαμηλότερη ισχύ στην ίδια συχνότητα, είτε συνδυασμό των δύο σε συρόμενη κλίμακα. Ωστόσο, τα κέρδη συχνότητας και απόδοσης ήταν πολύ πιο δραματικά μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 2000, καθώς Η συρρίκνωση των τρανζίστορ μείωσε άμεσα την κατανάλωση ενέργειας σε παλαιότερες διεργασίες, μια τάση που ονομάζεται Dennard απολέπιση.

Ο θάνατος του νόμου του Μουρ και τι σχέση έχουν οι διεργασικοί κόμβοι

Το βασικό κίνητρο για τις εταιρείες να χρησιμοποιούν νεότερες διαδικασίες είναι να συμβαδίζουν με κάτι που ονομάζεται Νόμος του Μουρ, μια παρατήρηση που έγινε από τον θρυλικό ημιαγωγό Gordon Moore το 1965. Ο αρχικός νόμος έλεγε ότι ο ρυθμός ανάπτυξης για τα τρανζίστορ στην ταχύτερη CPU διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια. Εάν ο ταχύτερος επεξεργαστής σε ένα χρόνο έχει 500 εκατομμύρια τρανζίστορ, σε δύο χρόνια θα πρέπει να υπάρχει ένας που έχει ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ. Για περισσότερα από 40 χρόνια, η βιομηχανία ήταν σε θέση να διατηρήσει αυτόν τον ρυθμό εφευρίσκοντας νέες διαδικασίες, καθεμία με μεγαλύτερη πυκνότητα από την προηγούμενη.

Ωστόσο, η βιομηχανία άρχισε να χτυπά εμπόδια τη δεκαετία του 2000. Πρώτον, η κλιμάκωση του Dennard κατέρρευσε γύρω στο όριο των 65 nm στα 45 nm στα μέσα της δεκαετίας του 2000, αλλά μετά την εμφάνιση της διαδικασίας των 32 nm στα τέλη της δεκαετίας του 2000 και στις αρχές της δεκαετίας του 2010, η κόλαση λύθηκε. Για τα περισσότερα χυτήρια, αυτός ήταν ο τελευταίος σημαντικός κόμβος που θα παρέδιδαν για χρόνια. Τα 20nm της TSCM από το 2014 ήταν απλά κακά και μόνο η διαδικασία των 16nm το 2015 ήταν μια αξιόλογη αναβάθμιση από τα 28nm το 2011, η Samsung δεν το έκανε φτάνουν στα 14nm μέχρι το 2015 και το GlobalFoundries (που προέκυψε από τα φανταχτερά της AMD τη δεκαετία του 2000) έπρεπε να μισθώσει τα 14nm της Samsung αντί να τα φτιάξει τα δικά.

Μια αξιοσημείωτη εξαίρεση σε αυτή την αναταραχή ήταν η Intel, η οποία απέκτησε με επιτυχία τη διαδικασία των 22 nm το 2011. Ωστόσο, το χρονοδιάγραμμα κυκλοφορίας της Intel και η ποιότητα της διαδικασίας άρχισαν να πέφτουν μετά το όριο των 22 nm. Η διαδικασία των 14 nm υποτίθεται ότι θα κυκλοφορούσε το 2013 αλλά κυκλοφόρησε το 2014 με χαμηλές ταχύτητες ρολογιού και υψηλά επίπεδα ελαττωμάτων. Οι γελοίοι στόχοι της Intel με τον κόμβο των 10nm την καταδίκασαν τελικά στην κόλαση της ανάπτυξης, χάνοντας το παράθυρο εκκίνησης του 2015. Το πρώτο τσιπ 10nm έφτασε το 2018 και είναι ένας από τους χειρότερους CPU της Intel. Το 10nm της Intel, που μετονομάστηκε σε Intel 7 για λόγους μάρκετινγκ, δεν ήταν εντελώς έτοιμο μέχρι το 2021.

Η τελευταία καταστροφή αφορά τον κόμβο 3nm της TSMC, το οποίο παρέχει σημαντική βελτίωση στην πυκνότητα στα λογικά τρανζίστορ (τα οποία αποτελούν τους πυρήνες σε CPU και GPU, μεταξύ άλλων), αλλά κυριολεκτικά καμία βελτίωση στην πυκνότητα cache, επίσης γνωστή ως SRAM. Το να μην είναι δυνατή η συρρίκνωση της προσωρινής μνήμης είναι μια ολοκληρωτική καταστροφή και είναι πιθανό τα χυτήρια να αντιμετωπίσουν παρόμοια προβλήματα σε μελλοντικούς κόμβους. Ακόμα κι αν η TSMC είναι η μόνη fab που αγωνίζεται να συρρικνώσει την προσωρινή μνήμη, είναι επίσης ο μεγαλύτερος παραγωγός chip στον πλανήτη.

Όταν διαβάζετε για τον θάνατο του νόμου του Μουρ, αυτό σημαίνει, γιατί αν οι εταιρείες δεν μπορούν να αυξήσουν την πυκνότητα χρόνο με το χρόνο, ο αριθμός των τρανζίστορ δεν μπορεί να αυξηθεί. Εάν ο αριθμός των τρανζίστορ δεν μπορεί να αυξηθεί, τότε αυτό σημαίνει ότι ο νόμος του Μουρ είναι νεκρός. Σήμερα, οι εταιρείες επικεντρώνονται στο να συμβαδίζουν με τις επιδόσεις του νόμου του Moore και όχι τις τεχνικές. Αν η απόδοση διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια, τότε όλα είναι καλά. Η AMD και η Intel χρησιμοποιούν chiplet για να αυξήσουν τόσο τον αριθμό των τρανζίστορ όσο και την απόδοση μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος, και η Nvidia βασίζεται αποκλειστικά στην τεχνητή νοημοσύνη για να ανακτήσει τη χαλάρωση.

Τελικά, οι κόμβοι διεργασίας είναι μόνο ένας παράγοντας για το εάν ένα τσιπ είναι καλό

Λαμβάνοντας υπόψη ότι μια νέα διαδικασία μπορεί να κάνει ένα τσιπ μικρότερο, να του δώσει ώθηση στην ταχύτητα του ρολογιού και να το κάνει περισσότερο αποτελεσματικό, όλα αυτά χωρίς να γίνουν σημαντικές αλλαγές στο σχεδιασμό ή την αρχιτεκτονική, είναι προφανές γιατί οι διαδικασίες είναι έτσι σπουδαίος. Ωστόσο, άλλοι παράγοντες όπως η συσκευασία (όπως chiplets ή πλακάκια ή στοίβαξη τσιπ) και η τεχνητή νοημοσύνη γίνονται όλο και πιο βιώσιμα τρόποι για να δώσετε αξία σε έναν επεξεργαστή ενισχύοντας την απόδοση ή προσθέτοντας δυνατότητες, για να μην αναφέρουμε την απλή βελτιστοποίηση λογισμικό. Ο θάνατος του νόμου του Μουρ είναι μοναδικός, αλλά δεν είναι το τέλος της βιομηχανίας ημιαγωγών.

Επιπλέον, επειδή οι κόμβοι ονομάζονται για λόγους μάρκετινγκ, δεν υπάρχει πραγματικός λόγος να εκτιμηθεί η ικανότητα ενός τσιπ με βάση αποκλειστικά τη διαδικασία του. για παράδειγμα, τα 10nm της Intel είναι στην πραγματικότητα περίπου τόσο καλά όσο τα 7nm της TSMC, παρόλο που τα 7 είναι λιγότερο από 10. Ωστόσο, είναι επίσης αλήθεια ότι μια διεργασία δεν είναι το μόνο χαρακτηριστικό που έχει σημασία σε έναν επεξεργαστή. Πολλές CPU, GPU και άλλοι επεξεργαστές ήταν κακοί παρά το ότι ήταν σε καλούς κόμβους, όπως η AMD Radeon VII, ο οποίος ήταν ένας πλήρης κόμβος διαδικασίας μπροστά από το RTX 2080 Ti της Nvidia και όμως ήταν τόσο αργός μια από τις χειρότερες GPUs όλων των εποχών.

Από μόνος του, ο κόμβος διεργασίας ενός τσιπ δεν σημαίνει τίποτα. Θα ήταν σαν να αγοράζατε μια CPU αποκλειστικά με βάση τον αριθμό των πυρήνων που διαθέτει ή μια κονσόλα επειδή έχει επεξεργασία blast. Αυτό που έχει πραγματικά σημασία σε έναν επεξεργαστή είναι η πραγματική του απόδοση, η οποία εξαρτάται από άλλες προδιαγραφές υλικού και πόσο καλά βελτιστοποιημένες είναι οι εφαρμογές για αυτό το υλικό. Αν θέλετε απλώς να μάθετε τι καλύτερη CPU ή GPU ή ΦΟΡΗΤΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ Δηλαδή, ο κόμβος διεργασίας δεν θα σας το πει αυτό. Απλώς σας λέει ποιος έφτιαξε το τσιπ.