Wat is een procesknooppunt?

Als je ooit naar het specificatieblad of een advertentie voor een CPU, GPU of zelfs een volledig gebouwd apparaat zoals een laptop of desktop, je hebt waarschijnlijk een hype gezien rond hoe het een 7 nm- of 5 nm- of zelfs 4 nm-proces, knooppunt of proces gebruikt knooppunt. Maar net als veel technische specificaties is het procesknooppunt veel ingewikkelder dan een eenvoudig getal, dat zelden door marketing wordt verklaard, en niet iets waar je je eigenlijk al te veel zorgen over hoeft te maken. Hier vindt u alles wat u moet weten over procesknooppunten en wat ze eigenlijk betekenen voor computerchips.

Procesknooppunten: een belangrijke reden waarom processors elk jaar sneller worden

Procesknooppunten hebben alles te maken met de productie van chips, ook wel fabricage of "fabbing" genoemd, die plaatsvindt in faciliteiten die bekend staan ​​als fabrieken of gieterijen. Hoewel vrijwel alle chips worden vervaardigd met behulp van silicium, zijn er verschillende productieprocessen die gieterijen kunnen gebruiken, en dit is waar we de term proces krijgen. Processors bestaan ​​uit veel transistors, en hoe meer transistors, hoe beter, maar chips kunnen dat alleen zijn groot, het verpakken van meer transistors in een chip door de ruimte tussen de transistors te verkleinen om de dichtheid te vergroten is groot overeenkomst. De uitvinding van nieuwere en betere processen of knooppunten is de belangrijkste manier om een ​​grotere dichtheid te bereiken.

Verschillende processen of knooppunten worden van elkaar onderscheiden door een lengte die historisch is gemeten in micrometers en nanometers, en hoe lager het getal, hoe beter het proces (denk aan golfregels). Vroeger verwees dit getal naar de fysieke afmetingen van een transistor, die fabrikanten willen verkleinen bij het creëren van een nieuw proces, maar na het 28nm-knooppunt werd dit cijfer willekeurig. Het 5 nm-knooppunt van TSMC is eigenlijk niet 5 nm, TSMC wil je alleen laten weten dat het beter is dan 7 nm en niet zo goed als 3 nm. Om dezelfde reden kan dat cijfer niet worden gebruikt om moderne processen te vergelijken; TSMC's 5 nm is totaal anders dan Samsung's 5 nm, en zelfs in het geval van TSMC's N4-proces is dat zo beschouwd als onderdeel van de 5nm-familie van TSMC. Verwarrend, ik weet het.

Nieuwe processen verhogen niet alleen de dichtheid, maar hebben ook de neiging om de kloksnelheid en efficiëntie te verhogen. Het 5nm-knooppunt van TSCM (gebruikt in Ryzen 7000 En RX7000 processors) vergeleken met het oudere 7nm-proces kan een 15% hogere kloksnelheid leveren bij hetzelfde vermogen of 30% lager vermogen bij dezelfde frequentie, of een combinatie van beide op een glijdende schaal. Tot het midden van de jaren 2000 waren de frequentie- en efficiëntiewinsten echter veel dramatischer krimpende transistors verminderden direct het stroomverbruik in oudere processen, een trend die Dennard wordt genoemd schaalvergroting.

De dood van de wet van Moore en welke procesknooppunten ermee te maken hebben

De belangrijkste motivatie voor bedrijven om nieuwere processen te gebruiken is om gelijke tred te houden met de wet van Moore, een observatie gemaakt door de legendarische halfgeleiderfiguur Gordon Moore in 1965. De oorspronkelijke wet stelde dat het groeitempo van transistors in de snelste CPU elke twee jaar verdubbelt; Als de snelste processor in één jaar 500 miljoen transistors heeft, zou er over twee jaar één moeten zijn met een miljard transistors. Ruim veertig jaar lang kon de industrie dit tempo volhouden door nieuwe processen uit te vinden, elk met een hogere dichtheid dan de vorige.

In de jaren 2000 begon de industrie echter met problemen te kampen. Ten eerste stortte de schaalvergroting van Dennard halverwege de jaren 2000 in rond de grens van 65 nm tot 45 nm, maar nadat het 32 ​​nm-proces eind jaren 2000 en begin 2010 op de markt kwam, brak de hel los. Voor de meeste gieterijen was dit jarenlang het laatste grote knooppunt dat ze zouden leveren. De 20 nm van TSCM uit 2014 was gewoon slecht en alleen het 16 nm-proces in 2015 was een waardevolle upgrade ten opzichte van 28 nm in 2011, Samsung niet tot 2015 op 14 nm te komen, en GlobalFoundries (afgesplitst van AMD's fabrieken in de jaren 2000) moest de 14 nm van Samsung leasen in plaats van het zelf te maken eigen.

Een opmerkelijke uitzondering op deze onrust was Intel, dat in 2011 met succes zijn 22nm-proces de deur uit kreeg. Het releaseschema en de proceskwaliteit van Intel begonnen echter te dalen na de 22 nm-markering. Het 14 nm-proces zou in 2013 uitkomen, maar werd in 2014 uitgebracht met lage kloksnelheden en een groot aantal defecten. De belachelijke doelstellingen van Intel met zijn 10nm-knooppunt hebben het uiteindelijk tot een ontwikkelingshel gedoemd, waarbij het lanceringsvenster van 2015 werd gemist. De eerste 10nm-chip arriveerde in 2018, en het is een van Intel's slechtste CPU's ooit. Intel's 10nm, omgedoopt tot Intel 7 voor marketingdoeleinden, was pas in 2021 helemaal klaar.

De nieuwste ramp betreft het 3nm-knooppunt van TSMC, wat een aanzienlijke verbetering oplevert van de dichtheid in logische transistors (die onder andere kernen vormen in CPU's en GPU's), maar letterlijk geen enkele verbetering van de dichtheid in cache, ook wel SRAM genoemd. Het niet kunnen verkleinen van de cache is een totale ramp, en het is mogelijk dat gieterijen soortgelijke problemen tegenkomen op toekomstige knooppunten. Ook al is TSMC de enige fabrikant die moeite heeft om de cache te verkleinen, het is ook de grootste chipproducent ter wereld.

Als je leest over de dood van de wet van Moore, dan is dit wat het betekent: als bedrijven de dichtheid niet jaar na jaar kunnen vergroten, kan het aantal transistoren niet stijgen. Als het aantal transistors niet kan stijgen, betekent dit dat de wet van Moore dood is. Tegenwoordig zijn bedrijven gefocust op het bijhouden van de prestatie-implicaties van de wet van Moore, in plaats van op de technische implicaties. Als de prestaties elke twee jaar verdubbelen, is alles in orde. AMD en Intel gebruiken chiplets om zowel het aantal transistoren als de prestaties te verhogen en tegelijkertijd de kosten te verlagen, en Nvidia vertrouwt uitsluitend op AI om de speling op te vangen.

Uiteindelijk zijn procesknooppunten slechts één factor die bepaalt of een chip goed is

Bedenk dat een nieuw proces een chip kleiner kan maken, een kloksnelheidsboost kan geven en meer kan maken efficiënt, en dat allemaal zonder grote veranderingen in het ontwerp of de architectuur aan te brengen, het is duidelijk waarom processen zo zijn belangrijk. Andere factoren zoals verpakking (zoals chiplets of tegels of het stapelen van chips) en AI worden echter steeds levensvatbaarder manieren om waarde aan een processor te geven door de prestaties te verbeteren of functies toe te voegen, om nog maar te zwijgen van eenvoudige optimalisatie software. De dood van de wet van Moore is niet ideaal, maar het betekent niet het einde van de halfgeleiderindustrie.

Omdat knooppunten om marketingredenen worden genoemd, is er bovendien geen echte reden om de competentie van een chip uitsluitend op basis van het proces te schatten; Intel's 10 nm is bijvoorbeeld eigenlijk ongeveer net zo goed als TSMC's 7 nm, ondanks dat 7 minder dan 10 is. Het is echter ook waar dat een proces niet de enige functie is die ertoe doet in een processor. Veel CPU's, GPU's en andere processors zijn slecht geweest, ondanks dat ze zich op goede knooppunten bevonden, zoals die van AMD Radeon VII, een volledig procesknooppunt vóór Nvidia's RTX 2080 Ti en toch zo traag dat het een van de slechtste GPU's ooit.

Op zichzelf betekent het procesknooppunt van een chip niets. Het zou hetzelfde zijn als het kopen van een CPU uitsluitend op basis van het aantal kernen die hij heeft, of een console omdat deze over explosieverwerking beschikt. Wat er echt toe doet bij een processor zijn de daadwerkelijke prestaties, die neerkomen op andere hardwarespecificaties en hoe goed geoptimaliseerde applicaties voor die hardware zijn. Als je gewoon wilt weten wat de beste CPU of GPU of laptop dat wil zeggen dat het procesknooppunt u dat niet zal vertellen. Het vertelt je gewoon wie de chip heeft gemaakt.