¿Qué es un nodo de proceso?

Si alguna vez ha mirado la hoja de especificaciones o un anuncio de una CPU, GPU o incluso un dispositivo completamente construido como un computadora portátil o de escritorio, probablemente haya visto exageraciones sobre cómo utiliza un proceso, nodo o proceso de 7 nm o 5 nm, o incluso de 4 nm. nodo. Pero como muchas especificaciones técnicas, el nodo de proceso es mucho más complicado que un simple número, rara vez explicado por el marketing y no es algo que realmente deba preocuparle demasiado. Aquí encontrará todo lo que necesita saber sobre los nodos de proceso y lo que realmente significan para los chips de computadora.

Nodos de proceso: una gran razón por la que los procesadores se vuelven más rápidos cada año sin falta

Los nodos de proceso tienen que ver con la fabricación de chips, también llamada fabricación o "fabbing", que se lleva a cabo en instalaciones conocidas como fabs o fundiciones. Aunque prácticamente todos los chips se fabrican con silicio, existen diferentes procesos de fabricación que las fundiciones pueden emplear, y de aquí surge el término proceso. Los procesadores se componen de muchos transistores, y cuantos más transistores, mejor, pero como los chips sólo pueden ser así grande, empaquetar más transistores en un chip reduciendo el espacio entre los transistores para aumentar la densidad es una gran tarea. trato. La invención de procesos o nodos más nuevos y mejores es la forma principal de lograr una mayor densidad.

Los diferentes procesos o nodos se diferencian por una longitud que históricamente se ha medido en micrómetros y nanómetros, y cuanto menor sea el número, mejor será el proceso (pensemos en las reglas del golf). Este número solía referirse a las dimensiones físicas de un transistor, que los fabricantes quieren reducir al crear un nuevo proceso, pero después del nodo de 28 nm esta cifra se volvió arbitraria. El nodo de 5 nm de TSMC no es en realidad de 5 nm, TSMC solo quiere que sepas que es mejor que el de 7 nm y no tan bueno como el de 3 nm. Por la misma razón, esa cifra no se puede utilizar para comparar procesos modernos; Los 5 nm de TSMC son totalmente diferentes a los 5 nm de Samsung, e incluso en el caso del proceso N4 de TSMC, es considerado parte de la familia de 5 nm de TSMC. Confuso, lo sé.

Sin embargo, los nuevos procesos no sólo aumentan la densidad, sino que también tienden a aumentar la velocidad del reloj y la eficiencia. Por ejemplo, el nodo de 5 nm de TSCM (utilizado en Ryzen 7000 y RX7000 procesadores) en comparación con su antiguo proceso de 7 nm puede proporcionar una velocidad de reloj un 15% mayor con la misma potencia o un 30% menos de potencia con la misma frecuencia, o una combinación de ambas en una escala móvil. Sin embargo, las ganancias en frecuencia y eficiencia solían ser mucho más dramáticas hasta mediados de la década de 2000, ya que La reducción de los transistores redujo directamente el consumo de energía en procesos más antiguos, una tendencia llamada Dennard. escalada.

La muerte de la Ley de Moore y qué tienen que ver los nodos de proceso con ella

La motivación clave para que las empresas utilicen procesos más nuevos es seguir el ritmo de algo llamado Ley de Moore, una observación hecha por la legendaria figura de los semiconductores Gordon Moore en 1965. La ley original establecía que la tasa de crecimiento de los transistores en las CPU más rápidas se duplica cada dos años; si el procesador más rápido en un año tiene 500 millones de transistores, en dos años debería haber uno que tenga mil millones de transistores. Durante más de 40 años, la industria pudo mantener este ritmo inventando nuevos procesos, cada uno con mayor densidad que el anterior.

Sin embargo, la industria comenzó a tener problemas en la década de 2000. Primero, el escalado de Dennard colapsó alrededor de la marca de 65 nm a 45 nm a mediados de la década de 2000, pero después de que salió el proceso de 32 nm a finales de la década de 2000 y principios de la de 2010, se desató el infierno. Para la mayoría de las fundiciones, este era el último nodo importante que entregarían en años. Los 20 nm de TSCM de 2014 eran simplemente malos y solo su proceso de 16 nm en 2015 fue una actualización que valió la pena desde los 28 nm de 2011, Samsung no lo hizo. llegar a 14 nm hasta 2015, y GlobalFoundries (escindida de las fábricas de AMD en la década de 2000) tuvo que arrendar los 14 nm de Samsung en lugar de fabricar sus propios propio.

Una excepción notable a esta agitación fue Intel, que lanzó con éxito su proceso de 22 nm en 2011. Sin embargo, el calendario de lanzamientos de Intel y la calidad del proceso comenzaron a disminuir después de la marca de 22 nm. Se suponía que su proceso de 14 nm saldría en 2013, pero se lanzó en 2014 con velocidades de reloj bajas y altos niveles de defectos. Los ridículos objetivos de Intel con su nodo de 10 nm finalmente lo condenaron al infierno del desarrollo, perdiendo su ventana de lanzamiento de 2015. El primer chip de 10 nm llegó en 2018 y es una de las peores CPU de Intel de todos los tiempos. Los 10 nm de Intel, rebautizados como Intel 7 con fines de marketing, no estuvieron completamente listos hasta 2021.

El último desastre afecta al nodo de 3 nm de TSMC, lo que proporciona una mejora significativa en la densidad de los transistores lógicos (que son los que forman los núcleos de las CPU y GPU, entre otras cosas), pero literalmente ninguna mejora en la densidad en caché, también conocido como SRAM. No poder reducir el caché es un desastre total y es posible que las fundiciones tengan problemas similares en nodos futuros. Incluso si TSMC es la única fábrica que está luchando por reducir el caché, también es el mayor productor de chips del planeta.

Cuando lees sobre la muerte de la Ley de Moore, esto es lo que significa, porque si las empresas no pueden aumentar la densidad año tras año, el número de transistores no puede aumentar. Si el número de transistores no puede aumentar, entonces eso significa que la Ley de Moore está muerta. Hoy en día, las empresas se centran en mantenerse al día con las implicaciones de desempeño de la Ley de Moore, en lugar de las técnicas. Si el rendimiento se duplica cada dos años, entonces todo está bien. AMD e Intel están utilizando chiplets para aumentar tanto el número de transistores como el rendimiento y al mismo tiempo reducir los costos, y Nvidia depende únicamente de la inteligencia artificial para tomar el relevo.

En última instancia, los nodos de proceso son solo un factor para determinar si un chip es bueno

Teniendo en cuenta que un nuevo proceso puede hacer que un chip sea más pequeño, aumentar la velocidad del reloj y hacerlo más eficiente, todo sin realizar cambios importantes en el diseño o la arquitectura, es obvio por qué los procesos son tan importante. Sin embargo, otros factores como el embalaje (como chiplets, mosaicos o chips apilables) y la IA se están volviendo cada vez más viables. formas de dar valor a un procesador aumentando el rendimiento o agregando funciones, sin mencionar la simple optimización en software. La muerte de la Ley de Moore no es ideal, pero no es el fin de la industria de los semiconductores.

Además, debido a que los nodos reciben nombres por razones de marketing, no existe una razón real para estimar la competencia de un chip basándose únicamente en su proceso; por ejemplo, los 10 nm de Intel son en realidad tan buenos como los 7 nm de TSMC, a pesar de que 7 es inferior a 10. Sin embargo, también es cierto que un proceso no es la única característica importante en un procesador. Muchas CPU, GPU y otros procesadores han funcionado mal a pesar de estar en buenos nodos, como los de AMD. Radeon VII, que era un nodo de proceso completo por delante del RTX 2080 Ti de Nvidia y, sin embargo, era tan lento que era una de las peores GPU de la historia.

Por sí solo, el nodo de proceso de un chip no significa nada. Sería como comprar una CPU basándose únicamente en cuántos núcleos tiene, o una consola porque tiene un procesamiento explosivo. Lo que realmente importa en un procesador es su rendimiento real, que depende de otras especificaciones de hardware y de qué tan bien optimizadas estén las aplicaciones para ese hardware. Si sólo quieres saber cuál es el mejor CPU o GPU o computadora portátil Es decir, el nodo de proceso no le dirá eso. Simplemente te dice quién hizo el chip.