Mis on protsessisõlm?

Kui olete kunagi vaadanud CPU, GPU või isegi täielikult ehitatud seadme, näiteks tehniliste andmete lehte või reklaami sülearvuti või lauaarvuti, olete ilmselt näinud reklaami selle üle, kuidas see kasutab 7 nm või 5 nm või isegi 4 nm protsessi, sõlme või protsessi sõlm. Kuid nagu paljud tehnilised andmed, on protsessi sõlm palju keerulisem kui lihtne number, mida turundus harva seletab, ja mitte midagi, mille pärast peate tegelikult liiga palju hoolima. Siin on kõik, mida peate protsessisõlmede kohta teadma, mida need arvutikiipide jaoks tegelikult tähendavad.

Protsessisõlmed: suur põhjus, miks protsessorid muutuvad igal aastal tõrgeteta kiiremaks

Protsessisõlmedel on kõik pistmist kiibi tootmisega, mida nimetatakse ka tootmiseks või "fabbingiks", mis toimub rajatistes, mida nimetatakse tehasteks või valukodadeks. Kuigi peaaegu kõik kiibid on valmistatud ränist, on valukojad kasutada erinevaid tootmisprotsesse ja siit saame termini protsess. Protsessorid koosnevad paljudest transistoridest ja mida rohkem transistore, seda parem, kuid kuna kiibid saavad olla ainult nii suur, rohkemate transistorite pakkimine kiibile, vähendades transistoride vahelist ruumi, et suurendada tihedust tegeleda. Uuemate ja paremate protsesside või sõlmede leiutamine on peamine viis suurema tiheduse saavutamiseks.

Erinevad protsessid või sõlmed eristuvad pikkuse järgi, mida on ajalooliselt mõõdetud mikromeetrites ja nanomeetrites ning mida väiksem number, seda parem on protsess (mõelge golfireeglitele). See arv viitas varem transistori füüsilistele mõõtmetele, mida tootjad soovivad uue protsessi loomisel kahandada, kuid pärast 28nm sõlme muutus see arv meelevaldseks. TSMC 5 nm sõlm ei ole tegelikult 5 nm, TSMC tahab lihtsalt, et te teaksite, et see on parem kui 7 nm ja mitte nii hea kui 3 nm. Samal põhjusel ei saa seda arvu kasutada tänapäevaste protsesside võrdlemiseks; TSMC 5 nm erineb täielikult Samsungi 5 nm ja isegi TSMC N4 protsessi puhul on see peetakse osaks TSMC 5nm perekonnast. Segane, ma tean.

Uued protsessid ei suurenda mitte ainult tihedust, vaid suurendavad ka taktsagedust ja tõhusust. Näiteks TSCM-i 5 nm sõlm (kasutatakse aastal Ryzen 7000 ja RX 7000 protsessorid) võrreldes vanema 7 nm protsessiga võivad pakkuda kas 15% suuremat taktsagedust samal võimsusel või 30% väiksemat võimsust samal sagedusel või nende kahe kombinatsiooni libiseval skaalal. Sagedus ja tõhususe suurenemine oli kuni 2000. aastate keskpaigani palju dramaatilisem, kuna kahanevad transistorid vähendasid otseselt energiatarbimist vanemates protsessides, seda trendi nimetatakse Dennardiks skaleerimine.

Moore'i seaduse surm ja protsessisõlmed sellega pistmist

Ettevõtete peamine motivatsioon uuemate protsesside kasutamiseks on sammu pidada Moore'i seadusega, mille tegi legendaarne pooljuhtide tegelane Gordon Moore 1965. aastal. Algne seadus sätestas, et kiireima protsessori transistoride kasvumäär kahekordistub iga kahe aasta järel; kui ühe aasta kiireimal protsessoril on 500 miljonit transistorit, siis kahe aasta pärast peaks olema üks, millel on miljard transistorit. Üle 40 aasta suutis tööstus seda tempot hoida, leiutades uusi protsesse, millest igaüks oli eelmisest suurem.

Tööstus hakkas aga 2000ndatel tõrkeid tabama. Esiteks varises Dennardi skaleerimine 2000. aastate keskel 65 nm ja 45 nm vahel, kuid pärast 32 nm protsessi ilmumist 2000. aastate lõpus ja 2010. aastate alguses läks kogu põrgu lahti. Enamiku valukodade jaoks oli see viimane suurem sõlm, mida nad aastaid tarnisid. TSCMi 20 nm 2014. aastast oli lihtsalt halb ja ainult selle 16 nm protsess 2015. aastal oli väärt uuendus 2011. aasta 28 nm pealt, Samsung seda ei teinud. jõuda 14 nm-ni kuni 2015. aastani ja GlobalFoundries (2000ndatel AMD tootjatelt eraldatud) pidi Samsungi 14 nm asemel rentima oma.

Üks märkimisväärne erand sellest segadusest oli Intel, mis sai 2011. aastal edukalt oma 22 nm protsessi uksest välja. Inteli väljalaskegraafik ja protsessi kvaliteet hakkasid aga pärast 22 nm märki libisema. Selle 14 nm protsess pidi välja tulema 2013. aastal, kuid see lasti välja 2014. aastal madalate taktsageduste ja suurte defektidega. Inteli naeruväärsed eesmärgid oma 10 nm sõlmega määrasid selle lõpuks arenduspõrgule, kuna 2015. aasta käivitusaken jäi ilma. Esimene 10 nm kiip saabus 2018. aastal ja see on üks Inteli halvimaid protsessoreid üldse. Inteli 10 nm, mis turunduseesmärkidel ümber nimetati Intel 7-ks, oli täielikult valmis alles 2021. aastal.

Viimane katastroof puudutab TSMC 3 nm sõlme, mis parandab oluliselt loogikatransistoride tihedust (mis moodustavad muuhulgas CPU-de ja GPU-de tuumad), kuid sõna otseses mõttes ei paranda tihedust vahemälu, tuntud ka kui SRAM. Vahemälu vähendamata jätmine on täielik katastroof ja on võimalik, et valukojad võivad tulevastes sõlmedes sarnaste probleemidega kokku puutuda. Isegi kui TSMC on ainus tehas, millel on raskusi vahemälu vähendamisega, on see ka planeedi suurim kiibitootja.

Kui lugeda Moore'i seaduse surmast, siis see tähendab seda, sest kui ettevõtted ei saa aasta-aastalt tihedust suurendada, ei saa transistoride arv tõusta. Kui transistoride arv ei saa tõusta, tähendab see, et Moore'i seadus on surnud. Tänapäeval on ettevõtted keskendunud Moore'i seaduse tulemuslikkusele, mitte tehnilistele tagajärgedele. Kui jõudlus kahekordistub iga kahe aasta tagant, on kõik korras. AMD ja Intel kasutavad kiipe, et suurendada nii transistoride arvu kui ka jõudlust, vähendades samal ajal kulusid, ning Nvidia loodab lõtvumiseks ainult AI-le.

Lõppkokkuvõttes on protsessisõlmed vaid üks faktor, mis määrab, kas kiip on hea

Arvestades, et uus protsess võib muuta kiibi väiksemaks, anda sellele taktsageduse tõuke ja muuta seda rohkem tõhus, ilma suuremaid muudatusi disainis või arhitektuuris tegemata, on ilmne, miks protsessid nii on oluline. Kuid muud tegurid, nagu pakend (nagu kiibid või plaadid või laastude virnastamine) ja tehisintellekt muutuvad üha elujõulisemaks viise, kuidas anda protsessorile väärtust jõudluse suurendamise või funktsioonide lisamise kaudu, rääkimata lihtsast optimeerimisest tarkvara. Moore'i seaduse surm on ebaideaalne, kuid see pole pooljuhtide tööstuse lõpp.

Lisaks, kuna sõlmed on nimetatud turunduslikel põhjustel, ei ole tegelikku põhjust hinnata kiibi pädevust ainult selle protsessi põhjal; Näiteks Inteli 10 nm on tegelikult umbes sama hea kui TSMC 7 nm, kuigi 7 on alla 10. Siiski on tõsi ka see, et protsess pole ainus protsessori oluline funktsioon. Paljud CPU-d, GPU-d ja muud protsessorid on olnud halvad, hoolimata sellest, et need on headel sõlmedel, näiteks AMD-s. Radeon VII, mis oli täisprotsessi sõlm Nvidia RTX 2080 Ti ees, kuid oli siiski nii aeglane, et üks halvimaid GPU-sid üldse.

Kiibi protsessisõlm iseenesest ei tähenda midagi. See oleks nagu protsessori ostmine ainult selle tuumade arvu järgi, või konsooli ostmine, kuna sellel on kiirtöötlus. Protsessori puhul on tõesti oluline selle tegelik jõudlus, mis taandub muudele riistvaraspetsifikatsioonidele ja sellest, kui hästi on selle riistvara jaoks optimeeritud rakendused. Kui soovite lihtsalt teada, mis parim protsessor või GPU või sülearvuti protsessi sõlm ei ütle teile seda. See lihtsalt ütleb teile, kes kiibi valmistas.