Co to jest węzeł procesu?

Jeśli kiedykolwiek przeglądałeś specyfikację lub reklamę procesora, karty graficznej lub nawet w pełni zbudowanego urządzenia, takiego jak np laptop lub komputer stacjonarny, prawdopodobnie widziałeś szum wokół tego, jak wykorzystuje proces, węzeł lub proces 7 nm, 5 nm, a nawet 4 nm węzeł. Jednak podobnie jak wiele specyfikacji technicznych, węzeł procesu jest znacznie bardziej skomplikowany niż zwykła liczba, rzadko wyjaśniana przez marketing i nie jest czymś, czym naprawdę trzeba się zbytnio przejmować. Oto wszystko, co musisz wiedzieć o węzłach procesowych i co tak naprawdę oznaczają dla chipów komputerowych.

Węzły procesowe: główny powód, dla którego procesory z roku na rok niezawodnie przyspieszają

Węzły procesowe mają wszystko wspólnego z produkcją chipów, zwaną także produkcją lub „fabryką”, która odbywa się w obiektach zwanych fabrykami lub odlewniami. Chociaż praktycznie wszystkie chipy są wytwarzane przy użyciu krzemu, odlewnie mogą stosować różne procesy produkcyjne i stąd pochodzi termin „proces”. Procesory składają się z wielu tranzystorów, a im więcej tranzystorów, tym lepiej, ale przecież chipy mogą być tylko takie duże, pakowanie większej liczby tranzystorów w chip poprzez zmniejszenie odstępu między tranzystorami w celu zwiększenia gęstości jest duże umowa. Wynalezienie nowszych i lepszych procesów lub węzłów jest głównym sposobem osiągnięcia większej gęstości.

Różne procesy lub węzły różnią się długością mierzoną w mikrometrach i nanometrach, a im niższa liczba, tym lepszy proces (pomyśl o zasadach gry w golfa). Liczba ta kiedyś odnosiła się do fizycznych wymiarów tranzystora, które producenci chcą zmniejszyć przy tworzeniu nowego procesu, ale po węźle 28 nm liczba ta stała się dowolna. Węzeł 5 nm TSMC nie jest w rzeczywistości 5 nm. TSMC chce tylko, żebyś wiedział, że jest lepszy niż 7 nm i nie tak dobry jak 3 nm. Z tego samego powodu tej liczby nie można używać do porównywania nowoczesnych procesów; Proces 5 nm firmy TSMC różni się całkowicie od procesu 5 nm Samsunga i nawet w przypadku procesu N4 firmy TSMC jest uważany za część rodziny 5 nm TSMC. Wiem, że to mylące.

Nowe procesy nie tylko zwiększają gęstość, ale także zwiększają prędkość zegara i wydajność. Na przykład węzeł 5 nm TSCM (używany w Ryzena 7000 I RX7000 procesory) w porównaniu ze starszym procesem 7 nm może zapewnić albo 15% wyższą częstotliwość taktowania przy tej samej mocy, albo 30% mniejszą moc przy tej samej częstotliwości, albo kombinację obu w ruchomej skali. Jednak wzrost częstotliwości i wydajności był znacznie bardziej dramatyczny aż do połowy 2000 roku, ponieważ kurczące się tranzystory bezpośrednio zmniejszały zużycie energii w starszych procesach, trend zwany Dennardem skalowanie.

Śmierć prawa Moore'a i co mają z tym wspólnego węzły procesowe

Główną motywacją firm do stosowania nowszych procesów jest dotrzymanie kroku prawu Moore’a, obserwacji poczynionej przez legendarnego specjalistę ds. półprzewodników Gordona Moore’a w 1965 roku. Pierwotne prawo stanowiło, że tempo wzrostu tranzystorów w najszybszym procesorze podwaja się co dwa lata; jeśli najszybszy procesor w ciągu jednego roku ma 500 milionów tranzystorów, to za dwa lata powinien być taki, który ma miliard tranzystorów. Przez ponad 40 lat przemysł był w stanie utrzymać to tempo, opracowując nowe procesy, każdy o większej gęstości niż poprzedni.

Jednak w 2000 roku branża zaczęła borykać się z problemami. Po pierwsze, skalowanie Dennarda załamało się w okolicach 65 nm do 45 nm w połowie 2000 roku, ale kiedy na przełomie 2000 i 2010 roku wprowadzono proces 32 nm, rozpętało się piekło. Dla większości odlewni był to ostatni duży węzeł, jaki dostarczali przez lata. Proces 20 nm TSCM z 2014 r. był po prostu zły i tylko proces 16 nm z 2015 r. był wartościowym ulepszeniem w stosunku do 28 nm z 2011 r., Samsung tego nie zrobił przejść do technologii 14 nm do 2015 r., a firma GlobalFoundries (wydzielona z fabryk AMD w 2000 r.) musiała dzierżawić technologię 14 nm firmy Samsung, zamiast ją wykorzystywać własny.

Godnym uwagi wyjątkiem od tego zamieszania był Intel, któremu w 2011 roku udało się wdrożyć proces 22 nm. Jednak harmonogram wypuszczania procesorów Intela i jakość procesów zaczęły się pogarszać po procesie 22 nm. Proces 14 nm miał pojawić się w 2013 r., ale został wypuszczony w 2014 r. z niskim taktowaniem i wysokim poziomem defektów. Absurdalne cele Intela związane z węzłem 10 nm ostatecznie skazały go na piekło rozwojowe, pomijając okno premiery na rok 2015. Pierwszy chip 10 nm pojawił się w 2018 roku i to jeden z najgorszych procesorów Intela w historii. Proces technologiczny Intela 10 nm, którego nazwę zmieniono ze względów marketingowych na Intel 7, był w pełni gotowy dopiero w 2021 roku.

Najnowsza katastrofa dotyczy węzła TSMC wykonanego w procesie technologicznym 3 nm, co zapewnia znaczną poprawę gęstości w tranzystorach logicznych (które tworzą między innymi rdzenie procesorów i procesorów graficznych), ale dosłownie żadnej poprawy gęstości w pamięć podręczna, znana również jako SRAM. Brak możliwości zmniejszenia pamięci podręcznej jest całkowitą katastrofą i możliwe, że odlewnie mogą napotkać podobne problemy w przyszłych węzłach. Nawet jeśli TSMC jest jedyną fabryką, która walczy o zmniejszenie pamięci podręcznej, jest także największym producentem chipów na świecie.

Kiedy czytasz o śmierci prawa Moore'a, właśnie to oznacza, ponieważ jeśli firmy nie będą w stanie zwiększać gęstości z roku na rok, liczba tranzystorów nie będzie mogła rosnąć. Jeśli liczba tranzystorów nie może wzrosnąć, oznacza to, że prawo Moore'a nie działa. Obecnie firmy skupiają się na nadążaniu za konsekwencjami prawa Moore'a na wydajność, a nie na kwestiach technicznych. Jeśli wydajność podwaja się co dwa lata, wszystko jest w porządku. AMD i Intel używają chipletów, aby zwiększyć liczbę tranzystorów i wydajność przy jednoczesnej redukcji kosztów, a Nvidia polega wyłącznie na sztucznej inteligencji, aby nadrobić zaległości.

Ostatecznie węzły procesowe są tylko jednym z czynników decydujących o tym, czy chip jest dobry

Biorąc pod uwagę, że nowy proces może zmniejszyć chip, zwiększyć jego prędkość zegara i zwiększyć wydajne, a wszystko to bez wprowadzania większych zmian w projekcie lub architekturze, jest oczywiste, dlaczego procesy są takie ważny. Jednak inne czynniki, takie jak opakowanie (takie jak chipsety, płytki lub układanie żetonów) i sztuczna inteligencja stają się coraz bardziej opłacalne sposoby na zwiększenie wartości procesora poprzez zwiększenie wydajności lub dodanie funkcji, nie wspominając o prostej optymalizacji oprogramowanie. Śmierć prawa Moore'a jest idealna, ale to nie koniec przemysłu półprzewodników.

Dodatkowo, ponieważ nazwy węzłów mają charakter marketingowy, nie ma prawdziwego powodu, aby oceniać wydajność chipa wyłącznie na podstawie jego procesu; na przykład proces technologiczny Intela 10 nm jest w rzeczywistości prawie tak dobry jak proces technologiczny 7 nm firmy TSMC, mimo że 7 to mniej niż 10. Jednak prawdą jest również, że proces nie jest jedyną cechą, która ma znaczenie w procesorze. Wiele procesorów, procesorów graficznych i innych procesorów działa nieprawidłowo, mimo że znajdują się na dobrych węzłach, takich jak procesory AMD Radeon VII, który był węzłem pełnego procesu przed RTX 2080 Ti firmy Nvidia, a mimo to był tak powolny, że jeden z najgorszych procesorów graficznych w historii.

Sam węzeł procesowy chipa nic nie znaczy. To tak, jakby kupować procesor wyłącznie ze względu na liczbę rdzeni lub konsolę ze względu na moc obliczeniową. W procesorze naprawdę liczy się jego rzeczywista wydajność, która sprowadza się do innych specyfikacji sprzętu i tego, jak dobrze zoptymalizowane są aplikacje dla tego sprzętu. Jeśli chcesz tylko wiedzieć, co najlepszy procesor Lub GPU Lub laptop oznacza to, że węzeł procesu ci tego nie powie. Mówi tylko, kto stworzył chip.