Ce este un nod de proces?

Dacă v-ați uitat vreodată la fișa de specificații sau la o reclamă pentru un procesor, GPU sau chiar un dispozitiv complet construit, cum ar fi un laptop sau desktop, probabil că ați văzut hype despre modul în care utilizează un proces, un nod sau un proces de 7 nm sau 5 nm sau chiar 4 nm nodul. Dar, la fel ca multe specificații tehnice, nodul de proces este mult mai complicat decât un simplu număr, explicat rar de marketing și nu este ceva de care trebuie să-ți pese prea mult. Iată tot ce trebuie să știți despre nodurile de proces, ce înseamnă ele de fapt pentru cipurile computerelor.

Noduri de proces: un motiv important pentru care procesoarele devin mai rapide în fiecare an fără greșeli

Nodurile de proces au totul de-a face cu fabricarea așchiilor, numită și fabricație sau „fabbing”, care are loc în unități cunoscute sub numele de fabs sau turnatorie. Deși practic toate cipurile sunt fabricate folosind siliciu, există diferite procese de fabricație pe care le pot folosi turnătoriile și de aici obținem termenul de proces. Procesoarele sunt alcătuite din mulți tranzistori și cu cât mai mulți tranzistori, cu atât mai bine, dar din moment ce cipurile pot fi doar așa mare, împachetarea mai multor tranzistori într-un cip prin reducerea spațiului dintre tranzistori pentru a crește densitatea este un lucru mare afacere. Invenția de procese sau noduri mai noi și mai bune este modalitatea principală de a obține o densitate mai mare.

Diferite procese sau noduri sunt diferențiate printr-o lungime care a fost măsurată istoric în micrometri și nanometri, iar cu cât numărul este mai mic, cu atât procesul este mai bun (gândiți-vă la regulile de golf). Acest număr se referea la dimensiunile fizice ale unui tranzistor, pe care producătorii doresc să le micșoreze atunci când creează un nou proces, dar după nodul de 28 nm această cifră a devenit arbitrară. Nodul de 5 nm al TSMC nu este de fapt 5nm, TSMC vrea doar să știți că este mai bun decât 7nm și nu la fel de bun ca 3nm. Din același motiv, această cifră nu poate fi folosită pentru a compara procesele moderne; 5nm al TSMC este total diferit de cel al lui Samsung și chiar și în cazul procesului N4 al TSMC, este considerat parte a familiei de 5 nm a TSMC. Confuz, știu.

Noile procese nu doar cresc densitatea, ci tind să mărească și viteza de ceas și eficiența. De exemplu, nodul de 5 nm al TSCM (utilizat în Ryzen 7000 și RX 7000 procesoare) în comparație cu procesul său mai vechi de 7 nm poate oferi fie o viteză de ceas cu 15% mai mare la aceeași putere, fie o putere cu 30% mai mică la aceeași frecvență, fie o combinație a celor două pe o scară variabilă. Câștigurile de frecvență și eficiență erau mult mai dramatice până la mijlocul anilor 2000, deși tranzistoarele de micșorare au redus direct consumul de energie în procesele mai vechi, o tendință numită Dennard scalare.

Moartea Legii lui Moore și ce noduri de proces au de-a face cu ea

Motivația cheie pentru companii de a utiliza procese mai noi este să țină pasul cu ceva numit Legea lui Moore, o observație făcută de legendarul semiconductor Gordon Moore în 1965. Legea inițială prevedea că rata de creștere a tranzistorilor din cel mai rapid procesor se dublează la fiecare doi ani; dacă cel mai rapid procesor dintr-un an are 500 de milioane de tranzistori, în doi ani ar trebui să existe unul care să aibă un miliard de tranzistori. Timp de peste 40 de ani, industria a reușit să țină acest ritm inventând noi procese, fiecare cu densitate mai mare decât precedentul.

Cu toate acestea, industria a început să se lovească de probleme în anii 2000. În primul rând, scalarea Dennard s-a prăbușit în jurul valorii de 65 nm până la 45 nm la mijlocul anilor 2000, dar după ce procesul de 32 nm a apărut la sfârșitul anilor 2000 și începutul anilor 2010, s-a dezlănțuit tot iadul. Pentru majoritatea turnătoriilor, acesta a fost ultimul nod major pe care l-ar livra de ani de zile. 20nm de la TSCM din 2014 a fost pur și simplu rău și doar procesul său de 16nm din 2015 a fost o actualizare utilă de la 28nm în 2011, Samsung nu a făcut-o. ajunge la 14 nm până în 2015, iar GlobalFoundries (desprinsă din fabricile AMD în anii 2000) a trebuit să închirieze 14nm de la Samsung în loc să-și facă proprii.

O excepție notabilă de la această tulburare a fost Intel, care a scos cu succes procesul de 22 nm în 2011. Cu toate acestea, programul de lansare al Intel și calitatea procesului au început să scadă după marcajul de 22 nm. Procesul său de 14 nm trebuia să apară în 2013, dar a fost lansat în 2014 cu viteze scăzute de ceas și niveluri ridicate de defecte. Obiectivele ridicole ale Intel cu nodul său de 10 nm l-au condamnat în cele din urmă la iadul dezvoltării, ratând fereastra de lansare din 2015. Primul cip de 10 nm a sosit în 2018 și este unul dintre cele mai proaste procesoare Intel vreodată. 10nm de la Intel, redenumit Intel 7 în scopuri de marketing, nu a fost complet gata până în 2021.

Cel mai recent dezastru se referă la nodul de 3 nm al TSMC, care oferă o îmbunătățire semnificativă a densității în tranzistoarele logice (care sunt cele care alcătuiesc nucleele în procesoare și GPU-uri, printre altele), dar literalmente nicio îmbunătățire a densității în cache, cunoscută și sub numele de SRAM. A nu putea micșora memoria cache este un dezastru total și este posibil ca turnătorii să întâmpine probleme similare pe nodurile viitoare. Chiar dacă TSMC este singura fabrică care se luptă să micșoreze memoria cache, este și cel mai mare producător de cipuri de pe planetă.

Când citiți despre moartea Legii lui Moore, aceasta este ceea ce înseamnă, pentru că dacă companiile nu pot crește densitatea an de an, numărul de tranzistori nu poate crește. Dacă numărul de tranzistori nu poate crește, înseamnă că Legea lui Moore este moartă. Astăzi, companiile sunt concentrate să țină pasul cu implicațiile de performanță ale Legii lui Moore, mai degrabă decât cu cele tehnice. Dacă performanța se dublează la fiecare doi ani, atunci totul este bine. AMD și Intel folosesc chipleturi pentru a crește atât numărul de tranzistori, cât și performanța, reducând în același timp costurile, iar Nvidia se bazează exclusiv pe inteligența artificială pentru a reuși.

În cele din urmă, nodurile de proces sunt doar un factor în care un cip este bun

Având în vedere că un nou proces poate face un cip mai mic, îi poate crește viteza de ceas și îl poate face mai mult eficient, totul fără a face modificări majore în design sau arhitectură, este evident de ce procesele sunt așa important. Cu toate acestea, alți factori, cum ar fi ambalarea (cum ar fi chipleturi sau plăci sau așchii de stivuire) și AI devin din ce în ce mai viabile modalități de a da valoare unui procesor prin creșterea performanței sau adăugarea de funcții, ca să nu mai vorbim de simpla optimizare software. Moartea Legii lui Moore este unideală, dar nu este sfârșitul industriei semiconductoarelor.

În plus, deoarece nodurile sunt denumite din motive de marketing, nu există niciun motiv real pentru a estima competența unui cip doar pe baza procesului său; de exemplu, 10 nm de la Intel este de fapt la fel de bun ca 7 nm de la TSMC, în ciuda faptului că 7 este mai mic de 10. Cu toate acestea, este și adevărat că un proces nu este singura caracteristică care contează într-un procesor. O mulțime de procesoare, GPU-uri și alte procesoare au fost proaste, în ciuda faptului că se află pe noduri bune, cum ar fi AMD Radeon VII, care a fost un nod de proces complet înaintea RTX 2080 Ti de la Nvidia și totuși a fost atât de lent încât a fost unul dintre cele mai proaste GPU-uri vreodată.

În sine, nodul de proces al unui cip nu înseamnă nimic. Ar fi ca și cum ați cumpăra un procesor numai pe baza numărului de nuclee pe care îl are sau o consolă pentru că are procesare explozivă. Ceea ce contează cu adevărat într-un procesor este performanța sa reală, care se reduce la alte specificații hardware și la cât de bine optimizate sunt aplicațiile pentru acel hardware. Dacă vrei doar să știi ce cel mai bun procesor sau GPU sau laptop este, nodul de proces nu vă va spune asta. Îți spune doar cine a făcut cipul.