O que é um nó de processo?

Se você já olhou a folha de especificações ou um anúncio de CPU, GPU ou até mesmo de um dispositivo totalmente construído como um laptop ou desktop, você provavelmente já viu exageros em torno de como ele usa um processo, nó ou processo de 7nm ou 5nm, ou mesmo 4nm nó. Mas, como muitas especificações técnicas, o nó do processo é muito mais complicado do que um simples número, raramente explicado pelo marketing, e não é algo com o qual você realmente precise se preocupar muito. Aqui está tudo o que você precisa saber sobre nós de processo e o que eles realmente significam para chips de computador.

Nós de processo: um grande motivo pelo qual os processadores ficam mais rápidos a cada ano, sem falhas

Os nós de processo têm tudo a ver com a fabricação de chips, também chamada de fabricação ou “fabbing”, que ocorre em instalações conhecidas como fabs ou fundições. Embora praticamente todos os chips sejam fabricados com silício, existem diferentes processos de fabricação que as fundições podem empregar, e é daí que vem o termo processo. Os processadores são compostos de muitos transistores, e quanto mais transistores, melhor, mas como os chips só podem ser assim grande, colocar mais transistores em um chip, reduzindo o espaço entre os transistores para aumentar a densidade, é um grande negócio. A invenção de processos ou nós mais novos e melhores é a principal forma de alcançar maior densidade.

Diferentes processos ou nós são diferenciados por um comprimento que tem sido historicamente medido em micrômetros e nanômetros, e quanto menor o número, melhor o processo (pense nas regras do golfe). Esse número costumava se referir às dimensões físicas de um transistor, que os fabricantes desejam diminuir ao criar um novo processo, mas após o nó de 28 nm esse número tornou-se arbitrário. O nó de 5 nm da TSMC não é realmente 5 nm, a TSMC só quer que você saiba que é melhor que 7 nm e não tão bom quanto 3 nm. Pela mesma razão, esse número não pode ser usado para comparar processos modernos; O 5nm da TSMC é totalmente diferente dos 5nm da Samsung, e mesmo no caso do processo N4 da TSMC, é considerado parte da família 5nm da TSMC. Confuso, eu sei.

Novos processos não apenas aumentam a densidade, mas também tendem a aumentar a velocidade e a eficiência do clock. Por exemplo, o nó de 5 nm do TSCM (usado em Ryzen 7000 e RX7000 processadores) em comparação com seu processo mais antigo de 7 nm pode fornecer velocidade de clock 15% maior com a mesma potência ou potência 30% menor na mesma frequência, ou uma combinação dos dois em uma escala móvel. Os ganhos de frequência e eficiência costumavam ser muito mais dramáticos até meados da década de 2000, como o encolhimento dos transistores reduziu diretamente o consumo de energia em processos mais antigos, uma tendência chamada Dennard dimensionamento.

A morte da Lei de Moore e o que os nós do processo têm a ver com isso

A principal motivação para as empresas utilizarem processos mais recentes é acompanhar algo chamado Lei de Moore, uma observação feita pela lendária figura dos semicondutores Gordon Moore em 1965. A lei original afirmava que a taxa de crescimento dos transistores na CPU mais rápida dobra a cada dois anos; se o processador mais rápido em um ano tiver 500 milhões de transistores, em dois anos deverá haver um que tenha um bilhão de transistores. Durante mais de 40 anos, a indústria conseguiu manter esse ritmo inventando novos processos, cada um com densidade maior que o anterior.

No entanto, a indústria começou a enfrentar obstáculos na década de 2000. Primeiro, a escala de Dennard entrou em colapso em torno da marca de 65 nm a 45 nm em meados dos anos 2000, mas depois que o processo de 32 nm foi lançado no final dos anos 2000 e início de 2010, o inferno começou. Para a maioria das fundições, este foi o último nó importante que entregariam em anos. Os 20nm do TSCM de 2014 eram simplesmente ruins e apenas seu processo de 16nm em 2015 foi uma atualização válida de 28nm em 2011, a Samsung não chegar a 14 nm até 2015, e a GlobalFoundries (desmembrada das fábricas da AMD na década de 2000) teve que alugar o 14 nm da Samsung em vez de fabricar seu ter.

Uma exceção notável a essa turbulência foi a Intel, que lançou com sucesso seu processo de 22 nm em 2011. No entanto, o cronograma de lançamento e a qualidade do processo da Intel começaram a cair após a marca de 22 nm. Seu processo de 14 nm deveria ter sido lançado em 2013, mas foi lançado em 2014 com baixas velocidades de clock e altos níveis de defeitos. Os objetivos ridículos da Intel com seu nó de 10 nm acabaram condenando-a ao inferno do desenvolvimento, perdendo a janela de lançamento de 2015. O primeiro chip de 10 nm chegou em 2018 e é um dos piores CPUs da Intel de todos os tempos. O 10nm da Intel, renomeado para Intel 7 para fins de marketing, não estava completamente pronto até 2021.

O último desastre diz respeito ao nó de 3nm da TSMC, que fornece uma melhoria significativa na densidade dos transistores lógicos (que constituem os núcleos das CPUs e GPUs, entre outras coisas), mas literalmente nenhuma melhoria na densidade em cache, também conhecido como SRAM. Não ser capaz de reduzir o cache é um desastre total, e é possível que as fundições tenham problemas semelhantes em nós futuros. Mesmo que a TSMC seja a única fábrica que está lutando para reduzir o cache, é também a maior produtora de chips do planeta.

Quando você lê sobre a morte da Lei de Moore, é isso que significa, porque se as empresas não conseguem aumentar a densidade ano após ano, a contagem de transistores não pode aumentar. Se a contagem de transistores não puder aumentar, isso significa que a Lei de Moore está morta. Hoje, as empresas estão focadas em acompanhar as implicações de desempenho da Lei de Moore, e não as implicações técnicas. Se o desempenho dobrar a cada dois anos, então está tudo bem. A AMD e a Intel estão usando chips para aumentar a contagem de transistores e o desempenho, ao mesmo tempo que reduzem custos, e a Nvidia está contando apenas com a IA para compensar.

Em última análise, os nós de processo são apenas um fator para determinar se um chip é bom

Considerando que um novo processo pode tornar um chip menor, aumentar a velocidade do clock e torná-lo mais eficiente, tudo sem fazer grandes alterações no design ou na arquitetura, é óbvio por que os processos são tão importante. No entanto, outros factores como a embalagem (como chips, ladrilhos ou empilhamento de chips) e a IA estão a tornar-se cada vez mais viáveis maneiras de agregar valor a um processador aumentando o desempenho ou adicionando recursos, sem mencionar a simples otimização em Programas. A morte da Lei de Moore não é ideal, mas não é o fim da indústria de semicondutores.

Além disso, como os nós são nomeados por motivos de marketing, não há razão real para estimar a competência de um chip com base apenas no seu processo; por exemplo, o 10nm da Intel é quase tão bom quanto o 7nm da TSMC, apesar de 7 ser menor que 10. No entanto, também é verdade que um processo não é o único recurso importante em um processador. Muitas CPUs, GPUs e outros processadores têm funcionado mal, apesar de estarem em nós bons, como os da AMD Radeon VII, que era um nó de processo completo à frente do RTX 2080 Ti da Nvidia e ainda assim era tão lento que era uma das piores GPUs de todos os tempos.

Por si só, o nó de processo de um chip não significa nada. Seria como comprar uma CPU apenas com base em quantos núcleos ela possui, ou um console porque possui processamento explosivo. O que realmente importa em um processador é seu desempenho real, que se resume a outras especificações de hardware e à otimização dos aplicativos para esse hardware. Se você está apenas querendo saber o que melhor CPU ou GPU ou computador portátil é que o nó do processo não lhe dirá isso. Apenas informa quem fez o chip.