Что такое узел процесса?

Если вы когда-либо просматривали спецификацию или рекламу процессора, графического процессора или даже полностью готового устройства, такого как ноутбуке или настольном компьютере, вы, вероятно, видели шумиху вокруг того, как он использует 7-нм, 5-нм или даже 4-нм процесс, узел или процесс. узел. Но, как и многие технические спецификации, узел процесса намного сложнее, чем простое число, которое редко объясняется маркетингом, и на самом деле вам не нужно слишком сильно заботиться о нем. Вот все, что вам нужно знать об узлах процессов и о том, что они на самом деле означают для компьютерных чипов.

Узлы процессов: главная причина, почему процессоры с каждым годом обязательно становятся быстрее

Технологические узлы имеют прямое отношение к производству чипов, также называемому изготовлением или «фабрикацией», которое происходит на предприятиях, известных как фабрики или литейные цеха. Хотя практически все чипы производятся с использованием кремния, литейные предприятия могут использовать различные производственные процессы, и именно здесь мы получили термин «процесс». Процессоры состоят из множества транзисторов, и чем больше транзисторов, тем лучше, но поскольку чипы могут быть только такими большой, размещение большего количества транзисторов в чипе за счет уменьшения пространства между транзисторами для увеличения плотности — это большая проблема. иметь дело. Изобретение новых и лучших процессов или узлов является основным способом достижения большей плотности.

Различные процессы или узлы различаются по длине, которая исторически измерялась в микрометрах и нанометрах, и чем меньше это число, тем лучше процесс (вспомним правила гольфа). Раньше это число обозначало физические размеры транзистора, которые производители хотят уменьшить при создании нового процесса, но после 28-нм узла эта цифра стала произвольной. 5-нм техпроцесс TSMC на самом деле не 5-нм, TSMC просто хочет, чтобы вы знали, что он лучше, чем 7-нм, и не так хорош, как 3-нм. По той же причине эту цифру нельзя использовать для сравнения современных процессов; 5-нм техпроцесс TSMC полностью отличается от 5-нм техпроцесса Samsung, и даже в случае с техпроцессом TSMC N4 он считается частью 5-нм семейства TSMC.. Я знаю, это сбивает с толку.

Новые процессы не только увеличивают плотность, но и имеют тенденцию к увеличению тактовой частоты и эффективности. Например, 5-нм узел TSCM (используется в Райзен 7000 и РХ 7000 процессоров) по сравнению со старым 7-нм техпроцессом может обеспечить либо повышение тактовой частоты на 15 % при той же мощности, либо снижение энергопотребления на 30 % при той же частоте, либо комбинацию этих двух показателей по скользящей шкале. Однако до середины 2000-х годов прирост частоты и эффективности был гораздо более значительным, поскольку уменьшение размера транзисторов напрямую снижало энергопотребление в старых процессах - тенденция, названная Деннардом масштабирование.

Смерть закона Мура и при чем здесь технологические узлы

Основная мотивация компаний использовать новые процессы — идти в ногу с так называемым законом Мура — наблюдением, сделанным легендарным полупроводниковым деятелем Гордоном Муром в 1965 году. В первоначальном законе говорилось, что темпы роста количества транзисторов в самых быстрых процессорах удваиваются каждые два года; если самый быстрый процессор за один год будет иметь 500 миллионов транзисторов, через два года должен появиться процессор с миллиардом транзисторов. На протяжении более 40 лет отрасли удавалось поддерживать этот темп, изобретая новые процессы, каждый из которых имел более высокую плотность, чем предыдущий.

Однако в 2000-х годах в отрасли начались проблемы. Во-первых, в середине 2000-х годов масштабирование Деннарда рухнуло от отметки 65 до 45 нм, но после того, как в конце 2000-х и начале 2010-х годов появился 32-нм процесс, начался настоящий ад. Для большинства литейных предприятий это был последний крупный узел, который они поставили за многие годы. 20-нм техпроцесс TSCM 2014 года был просто плохим, и только его 16-нм техпроцесс в 2015 году был достойным обновлением с 28-нм техпроцесса 2011 года, Samsung этого не сделала. перейти на 14-нм техпроцесс до 2015 года, а GlobalFoundries (выделенная из фабрик AMD в 2000-х годах) была вынуждена арендовать 14-нм техпроцесс у Samsung, а не производить его собственный.

Заметным исключением из этой суматохи стала компания Intel, которая успешно внедрила свой 22-нм техпроцесс в 2011 году. Однако после отметки 22 нм график выпуска Intel и качество процесса начали ухудшаться. Его 14-нм техпроцесс должен был появиться в 2013 году, но был выпущен в 2014 году с низкой тактовой частотой и высоким уровнем дефектов. Нелепые цели Intel с 10-нм узлом в конечном итоге обрекли компанию на ад разработки, так как она пропустила окно запуска в 2015 году. Первый 10-нм чип появился в 2018 году. это один из худших процессоров Intel за всю историю. 10-нм техпроцесс Intel, переименованный в Intel 7 в маркетинговых целях, не был полностью готов до 2021 года.

Последняя катастрофа касается 3-нм узла TSMC., что обеспечивает значительное улучшение плотности логических транзисторов (из которых, среди прочего, состоят ядра центральных и графических процессоров), но буквально никакого улучшения плотности в кэш, также известный как SRAM. Невозможность сжать кэш — это полная катастрофа, и вполне возможно, что литейные предприятия могут столкнуться с аналогичными проблемами на будущих узлах. Даже если TSMC — единственная фабрика, которая изо всех сил пытается уменьшить кэш, она также является крупнейшим производителем чипов на планете.

Когда вы читаете о смерти закона Мура, это означает, что если компании не смогут увеличивать плотность производства год за годом, количество транзисторов не сможет увеличиваться. Если количество транзисторов не может увеличиться, это означает, что закон Мура мертв. Сегодня компании сосредоточены на том, чтобы не отставать от последствий закона Мура для производительности, а не на технических аспектах. Если производительность удваивается каждые два года, то все в порядке. AMD и Intel используют чиплеты для увеличения количества транзисторов и производительности при одновременном снижении затрат, а Nvidia полагается исключительно на искусственный интеллект, чтобы восполнить пробелы.

В конечном счете, технологические узлы — это лишь один из факторов, определяющих качество чипа.

Учитывая, что новый процесс может уменьшить размер чипа, повысить его тактовую частоту и сделать его более производительным. эффективным, и все это без каких-либо серьезных изменений в дизайне или архитектуре, очевидно, почему процессы настолько важный. Однако другие факторы, такие как упаковка (например, чиплеты, плитки или штабелируемые чипы) и искусственный интеллект, становятся все более жизнеспособными. способы повышения эффективности процессора за счет повышения производительности или добавления новых функций, не говоря уже о простой оптимизации программное обеспечение. Отмена закона Мура не идеальна, но это не конец полупроводниковой промышленности.

Кроме того, поскольку узлы названы по маркетинговым причинам, нет реальной причины оценивать работоспособность чипа исключительно на основе его процесса; например, 10-нм техпроцесс Intel на самом деле примерно так же хорош, как и 7-нм техпроцесс TSMC, несмотря на то, что 7 меньше 10. Однако верно также и то, что процесс — не единственная важная функция процессора. Многие ЦП, графические процессоры и другие процессоры работали плохо, несмотря на то, что находились на хороших узлах, таких как AMD. Radeon VII, которая была полным технологическим узлом впереди Nvidia RTX 2080 Ti, но была настолько медленной, что один из худших графических процессоров за всю историю.

Сам по себе технологический узел чипа ничего не значит. Это все равно, что покупать процессор исключительно исходя из того, сколько у него ядер, или консоль, потому что она имеет ускоренную обработку. Что действительно важно для процессора, так это его фактическая производительность, которая зависит от других характеристик оборудования и того, насколько хорошо оптимизированы приложения для этого оборудования. Если вы просто хотите знать, что лучший процессор или графический процессор или ноутбук то есть узел процесса вам этого не скажет. Он просто говорит вам, кто сделал чип.