Cos'è un nodo di processo?

Se hai mai guardato la scheda tecnica o la pubblicità di una CPU, GPU o anche di un dispositivo completamente costruito come a laptop o desktop, probabilmente hai visto l'hype su come utilizza un processo, nodo o processo da 7 nm o 5 nm o anche 4 nm nodo. Ma come molte specifiche tecniche, il nodo del processo è molto più complicato di un semplice numero, raramente spiegato dal marketing, e non è qualcosa di cui devi davvero preoccuparti troppo. Ecco tutto ciò che devi sapere sui nodi di processo e cosa significano effettivamente per i chip dei computer.

Nodi di processo: un motivo importante per cui i processori diventano ogni anno sempre più veloci senza fallire

I nodi di processo hanno tutto a che fare con la produzione di chip, chiamata anche fabbricazione o "fabbing", che avviene in strutture note come fab o fonderie. Sebbene praticamente tutti i chip siano fabbricati utilizzando il silicio, esistono diversi processi di produzione che le fonderie possono impiegare, ed è da qui che prendiamo il termine processo. I processori sono costituiti da molti transistor e più transistor sono, meglio è, ma poiché i chip non possono che essere così grande, racchiudere più transistor in un chip riducendo lo spazio tra i transistor per aumentare la densità è una grande cosa Affare. L’invenzione di processi o nodi più nuovi e migliori è il modo principale per raggiungere una maggiore densità.

Diversi processi o nodi sono differenziati da una lunghezza che storicamente è stata misurata in micrometri e nanometri, e più basso è il numero, migliore è il processo (si pensi alle regole del golf). Questo numero si riferiva alle dimensioni fisiche di un transistor, che i produttori vogliono ridurre quando creano un nuovo processo, ma dopo il nodo a 28 nm questa cifra è diventata arbitraria. Il nodo da 5 nm di TSMC non è in realtà 5 nm, TSMC vuole solo che tu sappia che è migliore di 7 nm e non buono come 3 nm. Per lo stesso motivo, questa cifra non può essere utilizzata per confrontare i processi moderni; I 5 nm di TSMC sono totalmente diversi dai 5 nm di Samsung e, anche nel caso del processo N4 di TSMC, lo sono considerato parte della famiglia dei 5 nm di TSMC. Confuso, lo so.

I nuovi processi non aumentano solo la densità, ma tendono anche ad aumentare la velocità di clock e l'efficienza. Ad esempio, il nodo da 5 nm di TSCM (utilizzato in Ryzen7000 E RX7000 processori) rispetto al vecchio processo a 7 nm può fornire una velocità di clock superiore del 15% alla stessa potenza o una potenza inferiore del 30% alla stessa frequenza, o una combinazione dei due su scala mobile. Tuttavia, fino alla metà degli anni 2000, i miglioramenti in termini di frequenza ed efficienza erano molto più drammatici la riduzione dei transistor riduceva direttamente il consumo energetico nei processi più vecchi, una tendenza chiamata Dennard ridimensionamento.

La morte della Legge di Moore e quali nodi di processo c'entrano

La motivazione principale che spinge le aziende a utilizzare processi più nuovi è tenere il passo con qualcosa chiamata Legge di Moore, un'osservazione fatta dalla leggendaria figura dei semiconduttori Gordon Moore nel 1965. La legge originale stabiliva che il tasso di crescita dei transistor nelle CPU più veloci raddoppia ogni due anni; se il processore più veloce in un anno ha 500 milioni di transistor, tra due anni dovrebbe essercene uno che ne avrà un miliardo. Per oltre 40 anni, l’industria è stata in grado di mantenere questo ritmo inventando nuovi processi, ciascuno con una densità maggiore rispetto al precedente.

Tuttavia, negli anni 2000, il settore ha iniziato a incontrare ostacoli. Innanzitutto, lo scaling di Dennard è crollato intorno alla soglia dei 65-45 nm a metà degli anni 2000, ma dopo che il processo a 32 nm è uscito tra la fine degli anni 2000 e l’inizio degli anni 2010, si è scatenato l’inferno. Per la maggior parte delle fonderie, questo era l’ultimo nodo importante da consegnare per anni. Il processo a 20 nm di TSCM del 2014 era semplicemente pessimo e solo il suo processo a 16 nm nel 2015 è stato un aggiornamento utile rispetto a 28 nm nel 2011, Samsung non lo ha fatto arrivare a 14 nm fino al 2015, e GlobalFoundries (derivata dai fab di AMD negli anni 2000) ha dovuto affittare i 14 nm di Samsung piuttosto che realizzarli Proprio.

Una notevole eccezione a questo tumulto è stata Intel, che ha lanciato con successo il suo processo a 22 nm nel 2011. Tuttavia, il programma di rilascio e la qualità dei processi di Intel hanno iniziato a peggiorare dopo la soglia dei 22 nm. Il suo processo produttivo a 14 nm sarebbe dovuto uscire nel 2013 ma è stato rilasciato nel 2014 con velocità di clock basse e alti livelli di difetti. Gli obiettivi ridicoli di Intel con il suo nodo da 10 nm alla fine l'hanno condannata all'inferno dello sviluppo, mancando la finestra di lancio del 2015. Il primo chip da 10 nm è arrivato nel 2018 e è una delle peggiori CPU Intel di sempre. Il processo a 10 nm di Intel, ribattezzato Intel 7 per scopi di marketing, non era completamente pronto fino al 2021.

L'ultimo disastro riguarda il nodo a 3 nm di TSMC, che fornisce un miglioramento significativo alla densità dei transistor logici (che sono ciò che costituisce i core di CPU e GPU, tra le altre cose), ma letteralmente nessun miglioramento di sorta alla densità in cache, nota anche come SRAM. Non essere in grado di ridurre la cache è un disastro totale ed è possibile che le fonderie possano riscontrare problemi simili sui nodi futuri. Anche se TSMC è l'unica azienda che sta lottando per ridurre la cache, è anche il più grande produttore di chip del pianeta.

Quando si legge della morte della Legge di Moore, questo è ciò che significa, perché se le aziende non riescono ad aumentare la densità anno dopo anno, il numero dei transistor non può aumentare. Se il numero dei transistor non può aumentare, significa che la legge di Moore è morta. Oggi le aziende si concentrano sul tenere il passo con le implicazioni prestazionali della Legge di Moore, piuttosto che con quelle tecniche. Se le prestazioni raddoppiano ogni due anni, allora va tutto bene. AMD e Intel stanno utilizzando i chiplet per aumentare sia il numero dei transistor che le prestazioni riducendo i costi, e Nvidia si affida esclusivamente all'intelligenza artificiale per colmare il vuoto.

In definitiva, i nodi di processo sono solo uno dei fattori che determinano la qualità di un chip

Considerando che un nuovo processo può rendere un chip più piccolo, aumentarne la velocità di clock e renderlo di più efficiente, il tutto senza apportare modifiche importanti al design o all'architettura, è ovvio il motivo per cui i processi sono così importante. Tuttavia, altri fattori come l’imballaggio (come chiplet, piastrelle o chip impilabili) e l’intelligenza artificiale stanno diventando sempre più praticabili modi per dare valore a un processore aumentando le prestazioni o aggiungendo funzionalità, per non parlare della semplice ottimizzazione Software. La morte della Legge di Moore non è ideale, ma non è la fine dell'industria dei semiconduttori.

Inoltre, poiché i nodi vengono nominati per ragioni di marketing, non esiste un motivo reale per stimare la competenza di un chip basandosi esclusivamente sul suo processo; ad esempio, i 10 nm di Intel sono in realtà altrettanto buoni dei 7 nm di TSMC nonostante 7 siano inferiori a 10. Tuttavia, è anche vero che il processo non è l'unica caratteristica importante in un processore. Molti CPU, GPU e altri processori si sono comportati male nonostante si trovassero su nodi buoni, come quelli di AMD Radeon VII, che era un nodo di processo completo davanti all'RTX 2080 Ti di Nvidia e tuttavia era così lenta da essere una delle peggiori GPU di sempre.

Di per sé, il nodo di processo di un chip non significa nulla. Sarebbe come acquistare una CPU esclusivamente in base al numero di core che ha, o una console perché ha un'elaborazione eccezionale. Ciò che conta davvero in un processore sono le sue prestazioni effettive, che dipendono da altre specifiche hardware e da quanto sono ottimizzate le applicazioni per quell'hardware. Se vuoi solo sapere cos'è migliore CPU O GPU O computer portatile è, il nodo del processo non te lo dirà. Ti dice solo chi ha creato il chip.