Kas ir procesa mezgls?

Ja kādreiz esat apskatījis CPU, GPU vai pat pilnībā uzbūvētas ierīces, piemēram, specifikāciju lapu vai reklāmu klēpjdatorā vai galddatorā, iespējams, esat redzējis ažiotāžu par to, kā tas izmanto 7 nm vai 5 nm vai pat 4 nm procesu, mezglu vai procesu mezgls. Taču, tāpat kā daudzas tehniskās specifikācijas, procesa mezgls ir daudz sarežģītāks nekā vienkāršs skaitlis, ko reti izskaidro mārketings, un tas nav kaut kas tāds, par ko jums ir pārāk daudz jārūpējas. Šeit ir viss, kas jums jāzina par procesa mezgliem, ko tie patiesībā nozīmē datoru mikroshēmām.

Procesa mezgli: galvenais iemesls, kāpēc procesori katru gadu kļūst ātrāki bez kļūmēm

Procesa mezgliem ir viss sakars ar mikroshēmu ražošanu, ko sauc arī par izgatavošanu vai "fabbing", kas notiek iekārtās, kas pazīstamas kā fabs vai lietuves. Lai gan praktiski visas mikroshēmas ir izgatavotas, izmantojot silīciju, lietuves var izmantot dažādus ražošanas procesus, un šeit mēs iegūstam terminu process. Procesori sastāv no daudziem tranzistoriem, un jo vairāk tranzistoru, jo labāk, bet tā kā mikroshēmas var būt tikai tādas liels, iepakot vairāk tranzistoru mikroshēmā, samazinot atstarpi starp tranzistoriem, lai palielinātu blīvumu, ir liels darījums. Jaunāku un labāku procesu vai mezglu izgudrošana ir galvenais veids, kā sasniegt lielāku blīvumu.

Dažādi procesi vai mezgli tiek atšķirti pēc garuma, kas vēsturiski ir mērīts mikrometros un nanometros, un jo mazāks skaitlis, jo labāks process (domājiet par golfa noteikumiem). Šis skaitlis agrāk attiecās uz tranzistora fiziskajiem izmēriem, kurus ražotāji vēlas samazināt, veidojot jaunu procesu, taču pēc 28nm mezgla šis skaitlis kļuva patvaļīgs. TSMC 5 nm mezgls patiesībā nav 5 nm, TSMC tikai vēlas, lai jūs zinātu, ka tas ir labāks par 7 nm un nav tik labs kā 3 nm. Tā paša iemesla dēļ šo skaitli nevar izmantot mūsdienu procesu salīdzināšanai; TSMC 5 nm pilnībā atšķiras no Samsung 5 nm, un pat TSMC N4 procesa gadījumā tas ir uzskatīta par daļu no TSMC 5nm saimes. Mulsinoši, es zinu.

Jauni procesi ne tikai palielina blīvumu, bet arī palielina pulksteņa ātrumu un efektivitāti. Piemēram, TSCM 5nm mezgls (izmantots Ryzen 7000 un RX 7000 procesori), salīdzinot ar savu vecāku 7 nm procesu, var nodrošināt vai nu par 15% lielāku pulksteņa ātrumu ar tādu pašu jaudu vai 30% mazāku jaudu pie tādas pašas frekvences, vai arī abu kombināciju bīdāmā skalā. Tomēr līdz 2000. gadu vidum biežuma un efektivitātes pieaugums bija daudz dramatiskāks, jo sarūkošie tranzistori tieši samazināja enerģijas patēriņu vecākos procesos, ko sauc par Dennard mērogošana.

Mūra likuma nāve un ar to saistīti procesa mezgli

Galvenā motivācija uzņēmumiem izmantot jaunākus procesus ir iet kopsolī ar kaut ko, ko sauc par Mūra likumu, novērojumu, ko veica leģendārā pusvadītāju figūra Gordons Mūrs 1965. gadā. Sākotnējais likums noteica, ka tranzistoru pieauguma temps visātrākajā CPU dubultojas ik pēc diviem gadiem; ja ātrākajam procesoram vienā gadā ir 500 miljoni tranzistoru, pēc diviem gadiem vajadzētu būt vienam, kam ir miljards tranzistoru. Vairāk nekā 40 gadus nozare spēja saglabāt šo tempu, izgudrojot jaunus procesus, katrs ar lielāku blīvumu nekā iepriekšējais.

Tomēr 2000. gados šī nozare sāka gūt panākumus. Pirmkārt, Denarda mērogošana sabruka ap 65 nm līdz 45 nm atzīmi 2000. gadu vidū, bet pēc 32 nm procesa iznākšanas 2000. gadu beigās un 2010. gadu sākumā viss elle atteicās. Lielākajai daļai lietuvju tas bija pēdējais lielākais mezgls, ko tās piegādāja gadiem ilgi. TSCM 20 nm no 2014. gada bija vienkārši slikti, un tikai tā 16 nm process 2015. gadā bija vērtīgs jauninājums no 28 nm 2011. gadā, Samsung to nedarīja. sasniegt 14 nm līdz 2015. gadam, un GlobalFoundries (atdalīta no AMD ražotnēm 2000. gados) vajadzēja nomāt Samsung 14 nm, nevis ražot savu. pašu.

Viens ievērojams izņēmums šajā satricinājumā bija Intel, kas 2011. gadā veiksmīgi izlaida savu 22 nm procesu. Tomēr Intel izlaišanas grafiks un procesa kvalitāte sāka paslīdēt pēc 22 nm atzīmes. Bija paredzēts, ka tā 14 nm procesam jāiznāk 2013. gadā, taču tas tika izlaists 2014. gadā ar zemu pulksteņa ātrumu un augstu defektu līmeni. Intel smieklīgie mērķi ar tā 10 nm mezglu galu galā nolemja to attīstības ellei, jo palaida garām 2015. gada palaišanas logu. Pirmā 10 nm mikroshēma ieradās 2018. gadā un tas ir viens no Intel visu laiku sliktākajiem CPU. Intel 10 nm, kas mārketinga nolūkos pārdēvēts par Intel 7, nebija pilnībā gatavs līdz 2021. gadam.

Pēdējā katastrofa attiecas uz TSMC 3 nm mezglu, kas nodrošina būtisku loģisko tranzistoru blīvuma uzlabojumu (kas, cita starpā, veido CPU un GPU kodolus), bet burtiski nekādus uzlabojumus attiecībā uz blīvumu kešatmiņa, kas pazīstama arī kā SRAM. Nespēja samazināt kešatmiņu ir pilnīga katastrofa, un, iespējams, lietuvēs turpmākajos mezglos var rasties līdzīgas problēmas. Pat ja TSMC ir vienīgais uzņēmums, kam ir grūti samazināt kešatmiņu, tas ir arī lielākais mikroshēmu ražotājs uz planētas.

Lasot par Mūra likuma nāvi, tas nozīmē to, jo, ja uzņēmumi gadu no gada nevar palielināt blīvumu, tranzistoru skaits nevar pieaugt. Ja tranzistoru skaits nevar pieaugt, tas nozīmē, ka Mūra likums ir miris. Mūsdienās uzņēmumi ir vērsti uz to, lai sekotu līdzi Mūra likuma darbības rezultātiem, nevis tehniskajām prasībām. Ja sniegums dubultojas ik pēc diviem gadiem, tad viss ir kārtībā. AMD un Intel izmanto mikroshēmas, lai palielinātu gan tranzistoru skaitu, gan veiktspēju, vienlaikus samazinot izmaksas, un Nvidia paļaujas tikai uz mākslīgo intelektu, lai novērstu atslābumu.

Galu galā procesa mezgli ir tikai viens no faktoriem, kas nosaka, vai mikroshēma ir laba

Ņemot vērā, ka jauns process var padarīt mikroshēmu mazāku, palielināt pulksteņa ātrumu un padarīt to vairāk efektīvi, neveicot nekādas būtiskas izmaiņas dizainā vai arhitektūrā, ir skaidrs, kāpēc procesi ir tādi svarīgs. Tomēr citi faktori, piemēram, iepakojums (piemēram, mikroshēmas vai flīzes vai mikroshēmu sakraušana) un AI kļūst arvien dzīvotspējīgāki. veidi, kā piešķirt procesoram vērtību, uzlabojot veiktspēju vai pievienojot funkcijas, nemaz nerunājot par vienkāršu optimizāciju programmatūra. Mūra likuma nāve ir neideāla, taču tas nav pusvadītāju nozares beigas.

Turklāt, tā kā mezgli ir nosaukti mārketinga iemeslu dēļ, nav reāla iemesla novērtēt mikroshēmas kompetenci, pamatojoties tikai uz tās procesu; piemēram, Intel 10 nm patiesībā ir tikpat labi kā TSMC 7 nm, lai gan 7 ir mazāks par 10. Tomēr ir arī taisnība, ka process nav vienīgā funkcija, kas procesorā ir svarīga. Daudzi CPU, GPU un citi procesori ir bijuši slikti, neskatoties uz to, ka tie atrodas labos mezglos, piemēram, AMD. Radeon VII, kas bija pilna procesa mezgls priekšā Nvidia RTX 2080 Ti un tomēr bija tik lēns, ka viens no visu laiku sliktākajiem GPU.

Pats par sevi mikroshēmas procesa mezgls neko nenozīmē. Tas būtu tāpat kā CPU pirkšana, pamatojoties tikai uz tā kodolu skaitu, vai konsoli, jo tai ir ātrās apstrādes process. Procesoram patiešām ir svarīga tā faktiskā veiktspēja, kas ir atkarīga no citām aparatūras specifikācijām un to, cik labi ir optimizētas lietojumprogrammas šai aparatūrai. Ja jūs vienkārši vēlaties uzzināt, kas labākais CPU vai GPU vai klēpjdators ir, procesa mezgls jums to nepateiks. Tas tikai norāda, kurš izgatavoja mikroshēmu.