מהו צומת תהליך?

אם אי פעם הסתכלת בגיליון המפרט או בפרסומת של מעבד, GPU, או אפילו מכשיר בנוי לחלוטין כמו מחשב נייד או שולחן עבודה, בטח ראית הייפ סביב האופן שבו הוא משתמש בתהליך, צומת או תהליך של 7nm או 5nm, או אפילו 4nm צוֹמֶת. אבל כמו מפרטים טכניים רבים, צומת התהליך הוא הרבה יותר מסובך ממספר פשוט, לעתים נדירות מוסבר על ידי שיווק, ולא משהו שאתה באמת צריך לדאוג ממנו יותר מדי. הנה כל מה שאתה צריך לדעת על צמתי תהליך, מה הם בעצם המשמעות עבור שבבי מחשב.

צמתי תהליכים: סיבה גדולה לכך שהמעבדים נעשים מהירים יותר מדי שנה בלי להיכשל

לצמתי תהליך יש כל קשר לייצור שבבים, הנקרא גם ייצור או "פאבינג", המתרחש במתקנים הידועים בשם fabs או יציקה. למרות שלמעשה כל השבבים מיוצרים באמצעות סיליקון, ישנם תהליכי ייצור שונים שמפעלי יציקה יכולים להשתמש, ומכאן אנו מקבלים את המונח תהליך. מעבדים מורכבים מטרנזיסטורים רבים, וככל שיותר טרנזיסטורים, כן ייטב, אבל מכיוון שבבבים יכולים להיות רק כך גדול, אריזה של יותר טרנזיסטורים לתוך שבב על ידי צמצום הרווח בין טרנזיסטורים כדי להגדיל את הצפיפות היא גדולה עִסקָה. המצאת תהליכים או צמתים חדשים וטובים יותר היא הדרך העיקרית להשגת צפיפות גדולה יותר.

תהליכים או צמתים שונים מובדלים על ידי אורך שנמדד היסטורית במיקרומטרים ובננומטרים, וככל שהמספר נמוך יותר, התהליך טוב יותר (חשבו על כללי גולף). מספר זה נהג להתייחס לממדים הפיזיים של טרנזיסטור, שהיצרנים רוצים לכווץ בעת יצירת תהליך חדש, אך לאחר הצומת של 28nm נתון זה הפך לשרירותי. הצומת של 5nm של TSMC הוא לא למעשה 5nm, TSMC רק רוצה שתדע שהוא טוב יותר מ-7nm ולא טוב כמו 3nm. מאותה סיבה, לא ניתן להשתמש בנתון הזה כדי להשוות תהליכים מודרניים; ה-5nm של TSMC שונה לחלוטין מה-5nm של סמסונג, ואפילו במקרה של תהליך N4 של TSMC, זה נחשב לחלק ממשפחת ה-5nm של TSMC. מבלבל, אני יודע.

תהליכים חדשים לא רק מגבירים את הצפיפות, עם זאת, הם גם נוטים להגביר את מהירות השעון והיעילות. לדוגמה, צומת 5nm של TSCM (בשימוש ב Ryzen 7000 ו RX 7000 מעבדים) בהשוואה לתהליך ה-7 ננומטר הישן יותר שלו יכול לספק מהירות שעון גבוהה יותר ב-15% באותה הספק או הספק נמוך יותר ב-30% באותו תדר, או שילוב של השניים בסולם הזזה. רווחי תדירות ויעילות היו בעבר דרמטיים הרבה יותר עד אמצע שנות ה-2000, כמו טרנזיסטורים מתכווצים הפחיתו ישירות את צריכת החשמל בתהליכים ישנים יותר, מגמה הנקראת Dennard דֵרוּג.

מותו של חוק מור ואיזה צמתים בתהליך קשורים אליו

המניע העיקרי לחברות להשתמש בתהליכים חדשים יותר הוא לעמוד בקצב של משהו שנקרא חוק מור, תצפית שערך דמות המוליך למחצה האגדית גורדון מור ב-1965. החוק המקורי קבע שקצב הגידול של טרנזיסטורים במעבד המהיר ביותר מוכפל מדי שנתיים; אם למעבד המהיר ביותר בשנה אחת יש 500 מיליון טרנזיסטורים, בעוד שנתיים אמור להיות אחד שיש לו מיליארד טרנזיסטורים. במשך למעלה מ-40 שנה, התעשייה הצליחה לעמוד בקצב הזה על ידי המצאת תהליכים חדשים, שלכל אחד מהם צפיפות גבוהה יותר מהקודם.

עם זאת, התעשייה החלה להיתקל בבעיות בשנות ה-2000. ראשית, קנה המידה של Dennard קרס סביב רף 65 ננומטר עד 45 ננומטר באמצע שנות ה-2000, אבל אחרי שתהליך ה-32 ננומטר יצא בסוף שנות ה-2000 ותחילת שנות ה-2010, הגיהנום השתחרר. עבור רוב בתי היציקה, זה היה הצומת העיקרי האחרון שהם היו מספקים במשך שנים. ה-20nm של TSCM מ-2014 היה פשוט גרוע ורק תהליך ה-16nm שלו ב-2015 היה שדרוג כדאי מ-28nm ב-2011, סמסונג לא. להגיע ל-14 ננומטר עד 2015, ו-GlobalFoundries (שמקורה מהייצורים של AMD בשנות ה-2000) נאלצה לשכור את ה-14 ננומטר של סמסונג במקום להפוך את שֶׁלוֹ.

חריג בולט אחד מהמהומה הזו הייתה אינטל, שהוציאה בהצלחה את תהליך ה-22nm שלה מהדלת ב-2011. עם זאת, לוח הזמנים של השחרור ואיכות התהליך של אינטל החלו להחליק לאחר סימון ה-22 ננומטר. תהליך ה-14 ננומטר שלו היה אמור לצאת בשנת 2013 אך שוחרר בשנת 2014 עם מהירויות שעון נמוכות ורמות גבוהות של פגמים. המטרות המגוחכות של אינטל עם צומת ה-10nm שלה בסופו של דבר נידונו אותה לגיהנום של פיתוח, כשהיא מחמיצה את חלון ההשקה שלה ב-2015. שבב ה-10 ננומטר הראשון הגיע ב-2018, ו זה אחד המעבדים הגרועים ביותר של אינטל אי פעם. ה-10nm של אינטל, ששמה שונה לאינטל 7 למטרות שיווק, לא היה מוכן לחלוטין עד 2021.

האסון האחרון נוגע לצומת 3nm של TSMC, מה שמספק שיפור משמעותי לצפיפות בטרנזיסטורים לוגיים (שהם מרכיבים בין היתר את הליבות במעבדים ו-GPUs), אבל ממש אין שיפור כלשהו לצפיפות ב מטמון, הידוע גם בשם SRAM. אי היכולת לכווץ את המטמון הוא אסון מוחלט, וייתכן שמפעלי היציקה עלולים להיתקל בבעיות דומות בצמתים עתידיים. גם אם TSMC הוא המותג היחיד שמתקשה לצמצם את המטמון, הוא גם יצרן השבבים הגדול ביותר על פני כדור הארץ.

כשקוראים על מותו של חוק מור, זה מה שזה אומר, כי אם חברות לא יכולות להגדיל את הצפיפות שנה אחר שנה, ספירת הטרנזיסטורים לא יכולה לעלות. אם ספירת הטרנזיסטורים לא יכולה לעלות, אז זה אומר שחוק מור מת. כיום, חברות מתמקדות בשמירה על ההשלכות הביצועיות של חוק מור, ולא בהשלכות הטכניות. אם הביצועים מכפילים את עצמם כל שנתיים, אז הכל בסדר. AMD ואינטל משתמשות בצ'יפלטים כדי להגדיל הן את ספירת הטרנזיסטורים והן את הביצועים תוך הפחתת עלויות, ו-Nvidia מסתמכת אך ורק על AI כדי להרים את הרפיון.

בסופו של דבר, צמתי תהליך הם רק גורם אחד לשאלה האם שבב טוב

בהתחשב בכך שתהליך חדש יכול להקטין שבב, להגביר את מהירות השעון ולהפוך אותו ליותר יעיל, והכל מבלי לבצע שינויים גדולים בעיצוב או בארכיטקטורה, ברור מדוע תהליכים הם כך חָשׁוּב. עם זאת, גורמים אחרים כמו אריזה (כגון שבבים או אריחים או ערימת שבבים) ובינה מלאכותית הופכים ליותר קיימאים דרכים לתת ערך למעבד על ידי הגברת ביצועים או הוספת תכונות, שלא לדבר על אופטימיזציה פשוטה ב תוֹכנָה. מותו של חוק מור אינו אידיאלי, אבל זה לא הסוף של תעשיית המוליכים למחצה.

בנוסף, מכיוון שהצמתים נקראים מסיבות שיווקיות, אין סיבה אמיתית להעריך את כשירות השבב על סמך התהליך שלו בלבד; לדוגמה, ה-10nm של אינטל הוא למעשה טוב בערך כמו ה-7nm של TSMC למרות ש-7 הם פחות מ-10. עם זאת, זה גם נכון שתהליך הוא לא התכונה היחידה שחשובה במעבד. שפע של מעבדים, GPUs ומעבדים אחרים היו גרועים למרות היותם בצמתים טובים, כמו של AMD Radeon VII, שהיה צומת תהליך מלא לפני RTX 2080 Ti של Nvidia ובכל זאת היה איטי עד כדי כך. אחד ה-GPUs הגרועים ביותר אי פעם.

כשלעצמו, צומת התהליך של שבב לא אומר כלום. זה יהיה כמו לקנות מעבד רק על סמך כמה ליבות יש לו, או קונסולה כי יש לו עיבוד פיצוץ. מה שבאמת חשוב במעבד הוא הביצועים האמיתיים שלו, שמגיעים למפרטי חומרה אחרים ועד כמה היישומים מותאמים היטב עבור החומרה הזו. אם אתה רק רוצה לדעת מה ה המעבד הטוב ביותר אוֹ GPU אוֹ מחשב נייד כלומר, צומת התהליך לא יגיד לך את זה. זה רק אומר לך מי יצר את השבב.