Mikä on prosessisolmu?

Jos olet joskus katsonut teknisiä tietoja tai mainosta prosessorista, grafiikkasuorittimesta tai jopa täysin rakennetusta laitteesta, kuten kannettava tietokone tai pöytäkone, olet luultavasti nähnyt hypeä siitä, kuinka se käyttää 7nm tai 5nm tai jopa 4nm prosessia, solmua tai prosessia solmu. Mutta kuten monet tekniset tiedot, prosessisolmu on paljon monimutkaisempi kuin yksinkertainen numero, jota markkinointi harvoin selittää, eikä sinun tarvitse välittää liikaa. Tässä on kaikki, mitä sinun tulee tietää prosessisolmuista, mitä ne itse asiassa tarkoittavat tietokonesiruille.

Prosessisolmut: suuri syy siihen, miksi prosessorit nopeutuvat joka vuosi ilman epäonnistumisia

Prosessisolmuilla on kaikki tekemistä lastujen valmistuksen kanssa, jota kutsutaan myös valmistukseksi tai "fabbingiksi", joka tapahtuu tehtaissa tai valimoissa. Vaikka käytännössä kaikki lastut valmistetaan piillä, valimot voivat käyttää erilaisia ​​valmistusprosesseja, ja tästä saamme termi prosessi. Prosessorit koostuvat monista transistoreista, ja mitä enemmän transistoreita, sitä parempi, mutta koska sirut voivat olla vain niin iso, pakkaamalla enemmän transistoreita sirulle vähentämällä transistorien välistä tilaa tiheyden lisäämiseksi on iso sopimus. Uusien ja parempien prosessien tai solmujen keksiminen on ensisijainen tapa saavuttaa suurempi tiheys.

Eri prosessit tai solmut eroavat toisistaan ​​pituudella, joka on historiallisesti mitattu mikrometreinä ja nanometreinä, ja mitä pienempi luku, sitä parempi prosessi (ajattele golfin sääntöjä). Tämä numero viittasi aiemmin transistorin fyysisiin mittoihin, joita valmistajat haluavat pienentää uutta prosessia luodessaan, mutta 28nm solmun jälkeen tämä luku muuttui mielivaltaiseksi. TSMC: n 5 nm solmu ei itse asiassa ole 5 nm, TSMC vain haluaa sinun tietävän, että se on parempi kuin 7 nm eikä niin hyvä kuin 3 nm. Samasta syystä tätä lukua ei voida käyttää nykyaikaisten prosessien vertailuun; TSMC: n 5nm on täysin erilainen kuin Samsungin 5nm, ja jopa TSMC: n N4-prosessin tapauksessa se on pidetään osana TSMC: n 5nm-perhettä. Hämmentävää, tiedän.

Uudet prosessit eivät vain lisää tiheyttä, vaan niillä on taipumus myös lisätä kellotaajuutta ja tehokkuutta. Esimerkiksi TSCM: n 5 nm solmu (käytetään Ryzen 7000 ja RX 7000 prosessorit) vanhempaan 7 nm: n prosessiin verrattuna voivat tarjota joko 15 % suuremman kellotaajuuden samalla teholla tai 30 % pienemmän tehon samalla taajuudella tai näiden kahden yhdistelmän liukuvalla asteikolla. Tosin taajuuden ja tehokkuuden kasvu oli paljon dramaattisempaa 2000-luvun puoliväliin asti, kuten kutistuvat transistorit vähensivät suoraan virrankulutusta vanhemmissa prosesseissa, jota kutsutaan Dennardiksi skaalaus.

Mooren lain kuolema ja prosessisolmujen tekemistä sen kanssa

Yritysten keskeinen motivaatio käyttää uusia prosesseja on pysyä Mooren lain tahdissa, legendaarisen puolijohdehahmon Gordon Mooren vuonna 1965 tekemän havainnon. Alkuperäinen laki totesi, että nopeimman CPU: n transistorien kasvuvauhti kaksinkertaistuu joka toinen vuosi; jos vuoden nopeimmalla prosessorilla on 500 miljoonaa transistoria, kahdessa vuodessa pitäisi olla yksi, jolla on miljardi transistoria. Yli 40 vuoden ajan teollisuus pystyi pysymään tässä vauhdissa keksimällä uusia prosesseja, joista jokaisella on suurempi tiheys kuin edellisellä.

Teollisuus alkoi kuitenkin törmätä hankaluuksiin 2000-luvulla. Ensin Dennardin skaalaus romahti 65 nm: n ja 45 nm: n rajan ympärille 2000-luvun puolivälissä, mutta sen jälkeen, kun 32 nm: n prosessi julkaistiin 2000-luvun lopulla ja 2010-luvun alussa, helvetti irtosi. Useimmille valimoille tämä oli viimeinen suuri solmu, jonka ne toimittivat vuosiin. TSCM: n 20 nm vuodesta 2014 oli yksinkertaisesti huono ja vain sen 16 nm prosessi vuonna 2015 oli kannattava päivitys vuoden 2011 28 nm: stä, Samsung ei päästä 14 nm: iin vuoteen 2015 asti, ja GlobalFoundriesin (joka erotettiin AMD: n tehtaista 2000-luvulla) täytyi vuokrata Samsungin 14 nm sen sijaan, että tekisi sen. oma.

Yksi merkittävä poikkeus tähän myllerrykseen oli Intel, joka onnistui saamaan 22nm: n prosessinsa ulos vuonna 2011. Intelin julkaisuaikataulu ja prosessin laatu alkoivat kuitenkin pudota 22 nm: n merkin jälkeen. Sen 14 nm: n prosessin piti ilmestyä vuonna 2013, mutta se julkaistiin vuonna 2014 alhaisilla kellotaajuuksilla ja suurilla vikojen tasoilla. Intelin naurettavat tavoitteet 10 nm: n solmulla tuomittiin lopulta kehityshelvettiin, koska se jäi käyttämättä vuoden 2015 käynnistysikkunaa. Ensimmäinen 10 nm: n siru saapui vuonna 2018 ja se on yksi Intelin kaikkien aikojen huonoimmista prosessoreista. Intelin 10nm, joka nimettiin uudelleen Intel 7:ksi markkinointitarkoituksiin, oli täysin valmis vasta vuonna 2021.

Viimeisin katastrofi koskee TSMC: n 3nm solmua, joka parantaa merkittävästi logiikkatransistoreiden tiheyttä (jotka muodostavat muun muassa suorittimen ja grafiikkasuorittimen ytimiä), mutta ei kirjaimellisesti mitään parannusta tiheyteen välimuisti, joka tunnetaan myös nimellä SRAM. Välimuistin pienentämättä jättäminen on täydellinen katastrofi, ja on mahdollista, että valimot saattavat kohdata samanlaisia ​​ongelmia tulevissa solmuissa. Vaikka TSMC onkin ainoa fab, jolla on vaikeuksia pienentää välimuistia, se on myös planeetan suurin sirujen tuottaja.

Kun luet Mooren lain kuolemasta, se tarkoittaa sitä, koska jos yritykset eivät pysty lisäämään tiheyttä vuodesta toiseen, transistorien määrä ei voi nousta. Jos transistorien määrä ei voi nousta, se tarkoittaa, että Mooren laki on kuollut. Nykyään yritykset ovat keskittyneet pysymään Mooren lain suoritusvaikutusten tasalla teknisten vaikutusten sijaan. Jos suorituskyky kaksinkertaistuu kahden vuoden välein, kaikki on hyvin. AMD ja Intel käyttävät siruja lisätäkseen sekä transistorien määrää että suorituskykyä ja samalla vähentääkseen kustannuksia, ja Nvidia luottaa yksinomaan tekoälyyn.

Viime kädessä prosessisolmut ovat vain yksi tekijä siitä, onko siru hyvä

Ottaen huomioon, että uusi prosessi voi tehdä sirusta pienemmän, antaa sille kellonopeuden ja tehdä siitä enemmän Tehokas, ilman suuria muutoksia suunnitteluun tai arkkitehtuuriin, on selvää, miksi prosessit ovat niin tärkeä. Muut tekijät, kuten pakkaukset (kuten sirut tai laatat tai sirujen pinoaminen) ja tekoäly ovat kuitenkin yhä kannattavampia tapoja antaa prosessorille arvoa parantamalla suorituskykyä tai lisäämällä ominaisuuksia, puhumattakaan yksinkertaisesta optimoinnista ohjelmisto. Mooren lain kuolema on epäihanteellinen, mutta se ei ole puolijohdeteollisuuden loppu.

Lisäksi, koska solmut on nimetty markkinointisyistä, ei ole todellista syytä arvioida sirun pätevyyttä pelkästään sen prosessin perusteella; Esimerkiksi Intelin 10 nm on itse asiassa suunnilleen yhtä hyvä kuin TSMC: n 7 nm, vaikka 7 on alle 10. On kuitenkin myös totta, että prosessi ei ole ainoa prosessorissa tärkeä ominaisuus. Monet suorittimet, grafiikkasuorittimet ja muut prosessorit ovat olleet huonoja huolimatta hyvistä solmuista, kuten AMD: n Radeon VII, joka oli täyden prosessin solmu Nvidian RTX 2080 Ti: n edellä ja silti niin hidas, että yksi huonoimmista GPU: ista ikinä.

Sirun prosessisolmu ei sinänsä merkitse mitään. Se olisi kuin ostaisi suorittimen pelkästään sen ytimen määrän perusteella, tai konsolin, koska siinä on räjähdysprosessointi. Prosessorissa todella tärkeää on sen todellinen suorituskyky, joka riippuu muista laitteistospesifikaatioista ja siitä, kuinka hyvin optimoidut sovellukset ovat kyseiselle laitteistolle. Jos haluat vain tietää, mitä paras prosessori tai GPU tai kannettava tietokone on, prosessisolmu ei kerro sinulle sitä. Se vain kertoo, kuka sirun teki.