Qu'est-ce qu'un nœud de processus ?

Si vous avez déjà consulté la fiche technique ou une publicité pour un CPU, un GPU ou même un appareil entièrement construit comme un ordinateur portable ou de bureau, vous avez probablement vu un battage médiatique autour de la façon dont il utilise un processus, un nœud ou un processus de 7 nm ou 5 nm, voire 4 nm. nœud. Mais comme de nombreuses spécifications techniques, le nœud de processus est beaucoup plus compliqué qu'un simple nombre, rarement expliqué par le marketing, et n'est pas quelque chose dont vous devez réellement vous soucier. Voici tout ce que vous devez savoir sur les nœuds de processus, et ce qu'ils signifient réellement pour les puces informatiques.

Nœuds de processus: l'une des principales raisons pour lesquelles les processeurs deviennent plus rapides chaque année sans faute

Les nœuds de processus ont tout à voir avec la fabrication de puces, également appelée fabrication ou « fabbing », qui a lieu dans des installations appelées usines de fabrication ou fonderies. Bien que pratiquement toutes les puces soient fabriquées à partir de silicium, les fonderies peuvent utiliser différents procédés de fabrication, et c'est de là que vient le terme processus. Les processeurs sont constitués de nombreux transistors, et plus il y a de transistors, mieux c'est, mais comme les puces ne peuvent l'être que ainsi gros, emballer plus de transistors dans une puce en réduisant l'espace entre les transistors pour augmenter la densité est un gros problème accord. L’invention de processus ou de nœuds plus nouveaux et meilleurs est le principal moyen d’atteindre une plus grande densité.

Différents processus ou nœuds sont différenciés par une longueur qui a été historiquement mesurée en micromètres et en nanomètres, et plus le nombre est bas, meilleur est le processus (pensez aux règles du golf). Ce nombre faisait autrefois référence aux dimensions physiques d'un transistor, que les fabricants souhaitent réduire lors de la création d'un nouveau processus, mais après le nœud de 28 nm, ce chiffre est devenu arbitraire. Le nœud 5 nm de TSMC n'est pas réellement 5 nm, TSMC veut juste que vous sachiez qu'il est meilleur que 7 nm et pas aussi bon que 3 nm. Pour la même raison, ce chiffre ne peut pas être utilisé pour comparer les processus modernes; Le 5 nm de TSMC est totalement différent du 5 nm de Samsung, et même dans le cas du processus N4 de TSMC, il est considéré comme faisant partie de la famille 5 nm de TSMC. Déroutant, je sais.

Les nouveaux processus n'augmentent pas seulement la densité, ils tendent également à augmenter la vitesse d'horloge et l'efficacité. Par exemple, le nœud 5 nm de TSCM (utilisé dans Ryzen7000 et RX7000 processeurs) par rapport à son ancien processus 7 nm peut fournir soit une vitesse d'horloge 15 % plus élevée à la même puissance, soit une puissance inférieure de 30 % à la même fréquence, ou une combinaison des deux sur une échelle mobile. Les gains de fréquence et d'efficacité étaient cependant beaucoup plus spectaculaires jusqu'au milieu des années 2000, comme la réduction des transistors réduisait directement la consommation d'énergie dans les processus plus anciens, une tendance appelée Dennard mise à l'échelle.

La mort de la loi de Moore et ce que les nœuds de processus ont à voir avec cela

La principale motivation qui pousse les entreprises à utiliser des processus plus récents est de suivre le rythme de ce qu'on appelle la loi de Moore, une observation faite par le légendaire personnage des semi-conducteurs Gordon Moore en 1965. La loi originale stipulait que le taux de croissance des transistors dans les processeurs les plus rapides double tous les deux ans; si le processeur le plus rapide en un an possède 500 millions de transistors, dans deux ans il devrait y en avoir un qui possède un milliard de transistors. Pendant plus de 40 ans, l’industrie a su maintenir ce rythme en inventant de nouveaux procédés, chacun avec une densité plus élevée que le précédent.

Cependant, l’industrie a commencé à rencontrer des problèmes dans les années 2000. Premièrement, l’échelle de Dennard s’est effondrée entre 65 nm et 45 nm au milieu des années 2000, mais après la sortie du processus 32 nm à la fin des années 2000 et au début des années 2010, l’enfer s’est déchaîné. Pour la plupart des fonderies, il s’agissait du dernier nœud majeur qu’elles livraient avant des années. Le 20 nm de TSCM de 2014 était tout simplement mauvais et seul son processus 16 nm en 2015 était une mise à niveau intéressante par rapport au 28 nm de 2011, Samsung ne l'a pas fait arriver au 14 nm jusqu'en 2015, et GlobalFoundries (issu des usines d'AMD dans les années 2000) a dû louer le 14 nm de Samsung plutôt que de le fabriquer. propre.

Une exception notable à cette tourmente était Intel, qui a réussi à lancer son processus 22 nm en 2011. Cependant, le calendrier de sortie d'Intel et la qualité des processus ont commencé à décliner après la barre des 22 nm. Son procédé 14 nm était censé sortir en 2013 mais a été lancé en 2014 avec de faibles vitesses d'horloge et des niveaux élevés de défauts. Les objectifs ridicules d'Intel avec son nœud 10 nm l'ont finalement condamné à l'enfer du développement, manquant sa fenêtre de lancement de 2015. La première puce 10 nm est arrivée en 2018, et c'est l'un des pires processeurs Intel de tous les temps. Le 10 nm d'Intel, renommé Intel 7 à des fins de marketing, n'était complètement prêt qu'en 2021.

La dernière catastrophe concerne le nœud 3 nm de TSMC, qui apporte une amélioration significative de la densité des transistors logiques (qui constituent entre autres les cœurs des CPU et des GPU), mais littéralement aucune amélioration de la densité dans cache, également connu sous le nom de SRAM. Ne pas pouvoir réduire le cache est un désastre total, et il est possible que les fonderies rencontrent des problèmes similaires sur les futurs nœuds. Même si TSMC est la seule usine à avoir du mal à réduire le cache, elle est également le plus grand producteur de puces de la planète.

Quand vous lisez la mort de la loi de Moore, voici ce que cela signifie, car si les entreprises ne peuvent pas augmenter la densité année après année, le nombre de transistors ne peut pas augmenter. Si le nombre de transistors ne peut pas augmenter, cela signifie que la loi de Moore est morte. Aujourd'hui, les entreprises se concentrent sur les implications en termes de performances de la loi de Moore, plutôt que sur les implications techniques. Si les performances doublent tous les deux ans, alors tout va bien. AMD et Intel utilisent des chipsets pour augmenter à la fois le nombre de transistors et les performances tout en réduisant les coûts, et Nvidia s'appuie uniquement sur l'IA pour prendre le relais.

En fin de compte, les nœuds de processus ne sont qu'un facteur parmi d'autres déterminant si une puce est bonne.

Considérant qu'un nouveau processus peut réduire la taille d'une puce, lui donner une augmentation de sa vitesse d'horloge et la rendre plus efficaces, le tout sans apporter de modifications majeures à la conception ou à l'architecture, il est évident pourquoi les processus sont si important. Cependant, d’autres facteurs tels que l’emballage (tels que les chipsets, les tuiles ou les puces empilables) et l’IA deviennent de plus en plus viables. façons de donner de la valeur à un processeur en augmentant les performances ou en ajoutant des fonctionnalités, sans parler de la simple optimisation de logiciel. La mort de la loi de Moore n’est pas idéale, mais ce n’est pas la fin de l’industrie des semi-conducteurs.

De plus, comme les nœuds sont nommés pour des raisons marketing, il n'y a aucune véritable raison d'estimer la compétence d'une puce uniquement sur la base de son processus; par exemple, le 10 nm d'Intel est en fait aussi bon que le 7 nm de TSMC, bien que 7 soit inférieur à 10. Cependant, il est également vrai qu’un processus n’est pas la seule fonctionnalité importante dans un processeur. De nombreux CPU, GPU et autres processeurs ont été défectueux bien qu'ils soient sur de bons nœuds, comme ceux d'AMD. Radeon VII, qui était un nœud de processus complet en avance sur le RTX 2080 Ti de Nvidia et pourtant si lent qu'il était l'un des pires GPU jamais créés.

En soi, le nœud de processus d’une puce ne veut rien dire. Ce serait comme acheter un processeur uniquement en fonction du nombre de cœurs dont il dispose, ou une console parce qu'elle dispose d'un traitement blast. Ce qui compte vraiment dans un processeur, ce sont ses performances réelles, qui dépendent d'autres spécifications matérielles et de l'optimisation des applications pour ce matériel. Si vous voulez juste savoir ce que meilleur processeur ou GPU ou ordinateur portable c'est-à-dire que le nœud de processus ne vous le dira pas. Cela vous indique simplement qui a fabriqué la puce.