Što je procesni čvor?

Ako ste ikada pogledali list sa specifikacijama ili oglas za CPU, GPU ili čak potpuno izgrađen uređaj poput prijenosno ili stolno računalo, vjerojatno ste vidjeli hype oko toga kako koristi 7nm ili 5nm, ili čak 4nm proces, čvor ili proces čvor. Ali poput mnogih tehničkih specifikacija, procesni čvor je mnogo kompliciraniji od jednostavnog broja, rijetko se objašnjava marketingom, i nije nešto o čemu zapravo morate previše brinuti. Ovdje je sve što trebate znati o procesnim čvorovima, što oni zapravo znače za računalne čipove.

Procesni čvorovi: veliki razlog zašto procesori postaju brži svake godine bez greške

Procesni čvorovi imaju sve veze s proizvodnjom čipova, koja se također naziva fabrikacija ili "fabbing", koja se odvija u pogonima poznatim kao tvornice ili ljevaonice. Iako su gotovo svi čipovi proizvedeni pomoću silicija, postoje različiti proizvodni procesi koje ljevaonice mogu primijeniti, i tu dolazimo do pojma proces. Procesori se sastoje od mnogo tranzistora, a što je više tranzistora, to bolje, ali budući da čipovi mogu biti samo velik, pakiranje više tranzistora u čip smanjenjem prostora između tranzistora radi povećanja gustoće je velik Dogovor. Izum novijih i boljih procesa ili čvorova primarni je način postizanja veće gustoće.

Različiti procesi ili čvorovi razlikuju se po duljini koja se povijesno mjerila u mikrometrima i nanometrima, a što je manji broj, to je proces bolji (mislite na pravila golfa). Ovaj se broj nekada odnosio na fizičke dimenzije tranzistora, koje proizvođači žele smanjiti prilikom izrade novog procesa, ali nakon 28nm čvora ta je brojka postala proizvoljna. TSMC-ov 5nm čvor zapravo nije 5nm, TSMC samo želi da znate da je bolji od 7nm, a nije tako dobar kao 3nm. Iz istog razloga, ta se brojka ne može koristiti za usporedbu modernih procesa; TSMC-ov 5nm potpuno je drugačiji od Samsungovog 5nm, a čak i u slučaju TSMC-ovog N4 procesa, on je smatra se dijelom TSMC-ove 5nm obitelji. Zbunjujuće, znam.

Novi procesi ne samo da povećavaju gustoću, već također imaju tendenciju povećanja takta i učinkovitosti. Na primjer, TSCM-ov 5nm čvor (koristi se u Ryzen 7000 i RX 7000 procesori) u usporedbi sa svojim starijim 7nm procesom može pružiti ili 15% veću brzinu takta pri istoj snazi ​​ili 30% manju snagu pri istoj frekvenciji, ili kombinaciju ta dva na kliznoj ljestvici. No, dobici učestalosti i učinkovitosti bili su znatno dramatičniji sve do sredine 2000-ih, kao smanjivanje tranzistora izravno je smanjilo potrošnju energije u starijim procesima, trend nazvan Dennard skaliranje.

Smrt Mooreovog zakona i kakve veze procesni čvorovi imaju s tim

Ključna motivacija za tvrtke da koriste novije procese je držati korak s nečim što se zove Mooreov zakon, zapažanje legendarne poluvodičke ličnosti Gordona Moorea 1965. godine. Izvorni zakon navodi da se stopa rasta tranzistora u najbržem CPU-u udvostručuje svake dvije godine; ako najbrži procesor u jednoj godini ima 500 milijuna tranzistora, u dvije godine bi trebao biti onaj koji ima milijardu tranzistora. Više od 40 godina, industrija je mogla održati ovaj tempo izmišljajući nove procese, svaki s većom gustoćom od prethodnog.

Međutim, industrija je počela nailaziti na prepreke 2000-ih. Prvo se skaliranje Dennarda srušilo oko granice od 65nm do 45nm sredinom 2000-ih, ali nakon što je 32nm proces izašao u kasnim 2000-ima i početkom 2010-ih, nastao je pakao. Za većinu ljevaonica ovo je bio posljednji veliki čvor koji su godinama isporučivali. TSCM-ov 20nm iz 2014. bio je jednostavno loš i samo je njegov 16nm proces iz 2015. bio isplativa nadogradnja u odnosu na 28nm iz 2011., Samsung nije doći do 14nm do 2015., a GlobalFoundries (odvojio se od AMD-ovih tvornica 2000-ih) morao je iznajmiti Samsungov 14nm radije nego proizvoditi vlastiti.

Jedna značajna iznimka u ovom previranju bio je Intel, koji je uspješno izbacio svoj 22nm proces 2011. godine. Međutim, Intelov raspored izdavanja i kvaliteta procesa počeli su slabiti nakon oznake od 22 nm. Njegov 14nm proces trebao je izaći 2013., ali je pušten 2014. s niskim radnim taktom i visokom razinom nedostataka. Intelovi smiješni ciljevi sa svojim 10nm čvorom u konačnici su ga osudili na razvojni pakao, propustivši svoj prozor lansiranja 2015. godine. Prvi 10nm čip stigao je 2018., i to je jedan od Intelovih najgorih procesora ikada. Intelov 10nm, preimenovan u Intel 7 u marketinške svrhe, nije bio potpuno spreman do 2021.

Najnovija katastrofa odnosi se na TSMC-ov 3nm čvor, koji pruža značajno poboljšanje gustoće u logičkim tranzistorima (koji između ostalog čine jezgre u CPU-ima i GPU-ovima), ali doslovno nema poboljšanja gustoće u cache, također poznat kao SRAM. Nemogućnost smanjivanja predmemorije je potpuna katastrofa i moguće je da bi ljevaonice mogle naići na slične probleme na budućim čvorovima. Čak i ako je TSMC jedina tvornica koja se bori sa smanjenjem predmemorije, ona je također najveći proizvođač čipova na planetu.

Kad čitate o smrti Mooreova zakona, to znači ovo, jer ako tvrtke ne mogu povećavati gustoću iz godine u godinu, broj tranzistora ne može rasti. Ako se broj tranzistora ne može povećati, onda to znači da je Mooreov zakon mrtav. Danas su tvrtke usredotočene na praćenje učinka Mooreova zakona, a ne na tehničke. Ako se učinak udvostruči svake dvije godine, onda je sve u redu. AMD i Intel koriste čiplete kako bi povećali i broj tranzistora i performanse uz smanjenje troškova, a Nvidia se oslanja isključivo na umjetnu inteligenciju kako bi riješila problem.

U konačnici, procesni čvorovi samo su jedan faktor u tome je li čip dobar

Uzimajući u obzir da novi proces može učiniti čip manjim, povećati brzinu takta i učiniti ga većim učinkoviti, bez velikih promjena u dizajnu ili arhitekturi, očito je zašto su procesi takvi važno. Međutim, drugi čimbenici poput pakiranja (kao što su čipleti ili pločice ili slaganje čipova) i AI postaju sve održiviji načine davanja vrijednosti procesoru povećanjem performansi ili dodavanjem značajki, da ne spominjemo jednostavnu optimizaciju softver. Smrt Mooreovog zakona je neidealna, ali to nije kraj industrije poluvodiča.

Osim toga, budući da su čvorovi imenovani iz marketinških razloga, nema stvarnog razloga za procjenu sposobnosti čipa isključivo na temelju njegovog procesa; na primjer, Intelov 10nm je zapravo jednako dobar kao TSMC-ov 7nm iako je 7 manji od 10. Međutim, također je istina da proces nije jedina značajka koja je važna u procesoru. Puno CPU-a, GPU-a i drugih procesora bilo je loše unatoč tome što su bili na dobrim čvorovima, kao što je AMD-ov Radeon VII, koji je bio pun procesni čvor ispred Nvidijinog RTX 2080 Ti, a ipak je bio toliko spor da je jedan od najgorih GPU-a ikada.

Sam po sebi, procesni čvor čipa ne znači ništa. To bi bilo kao da kupujete CPU samo na temelju toga koliko jezgri ima ili konzolu jer ima brzu obradu. Ono što je stvarno važno kod procesora je njegova stvarna izvedba, koja se svodi na ostale hardverske specifikacije i koliko su aplikacije optimizirane za taj hardver. Ako samo želite znati što najbolji CPU ili GPU ili laptop jest, procesni čvor vam to neće reći. Samo vam govori tko je napravio čip.