Čo je to procesný uzol?

Ak ste sa niekedy pozreli na technický list alebo reklamu na CPU, GPU alebo dokonca plne zostavené zariadenie ako napr. notebook alebo stolný počítač, pravdepodobne ste videli humbuk okolo toho, ako používa 7nm alebo 5nm alebo dokonca 4nm proces, uzol alebo proces uzol. Ale rovnako ako mnohé technické špecifikácie, procesný uzol je oveľa komplikovanejší ako jednoduché číslo, ktoré len zriedka vysvetľuje marketing a nie je to niečo, o čo by ste sa v skutočnosti museli príliš starať. Tu je všetko, čo potrebujete vedieť o procesných uzloch, čo vlastne znamenajú pre počítačové čipy.

Procesné uzly: veľký dôvod, prečo sú procesory každým rokom rýchlejšie

Procesné uzly majú všetko spoločné s výrobou čipov, nazývanou aj fabrikácia alebo „fabbing“, ktorá prebieha v zariadeniach známych ako fabs alebo zlievárne. Hoci prakticky všetky čipy sú vyrábané pomocou kremíka, existujú rôzne výrobné procesy, ktoré môžu zlievarne použiť, a tu sa dostáva termín proces. Procesory sa skladajú z mnohých tranzistorov a čím viac tranzistorov, tým lepšie, ale keďže čipy môžu byť len tak veľké, zabaliť viac tranzistorov do čipu zmenšením priestoru medzi tranzistormi, aby sa zvýšila hustota, je veľké obchod. Vynález novších a lepších procesov alebo uzlov je primárnym spôsobom dosiahnutia väčšej hustoty.

Rôzne procesy alebo uzly sa líšia dĺžkou, ktorá sa historicky merala v mikrometroch a nanometroch, a čím nižšie číslo, tým lepší proces (myslím na pravidlá golfu). Toto číslo označovalo fyzické rozmery tranzistora, ktoré chcú výrobcovia zmenšiť pri vytváraní nového procesu, ale po 28nm uzle sa tento údaj stal ľubovoľným. 5nm uzol TSMC v skutočnosti nie je 5nm, TSMC len chce, aby ste vedeli, že je lepší ako 7nm a nie taký dobrý ako 3nm. Z rovnakého dôvodu sa toto číslo nemôže použiť na porovnanie moderných procesov; 5nm od TSMC je úplne odlišný od 5nm od Samsungu a dokonca aj v prípade procesu TSMC N4 je považovaný za súčasť 5nm rodiny TSMC. Zmätočné, ja viem.

Nové procesy nezvyšujú len hustotu, ale majú aj tendenciu zvyšovať rýchlosť hodín a efektivitu. Napríklad 5nm uzol TSCM (používaný v Ryzen 7000 a RX 7000 procesory) v porovnaní so svojím starším 7nm procesom môže poskytnúť buď o 15 % vyššiu rýchlosť hodín pri rovnakom výkone alebo o 30 % nižší výkon pri rovnakej frekvencii, prípadne kombináciu oboch na posuvnej stupnici. Nárast frekvencie a efektívnosti býval oveľa dramatickejší až do polovice roku 2000, napr zmenšovanie tranzistorov priamo znížilo spotrebu energie v starších procesoch, čo je trend nazývaný Dennard škálovanie.

Smrť Mooreovho zákona a čo s tým majú spoločné uzly procesov

Kľúčovou motiváciou pre spoločnosti, aby používali novšie procesy, je držať krok s niečím, čo sa nazýva Mooreov zákon, pozorovanie legendárnej polovodičovej postavy Gordona Moora v roku 1965. Pôvodný zákon stanovoval, že tempo rastu tranzistorov v najrýchlejšom CPU sa zdvojnásobuje každé dva roky; ak má najrýchlejší procesor za jeden rok 500 miliónov tranzistorov, o dva roky by mal byť taký, ktorý má miliardu tranzistorov. Viac ako 40 rokov bol priemysel schopný udržať toto tempo vynájdením nových procesov, z ktorých každý má vyššiu hustotu ako ten predchádzajúci.

Priemysel však začal narážať na problémy v roku 2000. Po prvé, Dennardovo škálovanie sa zrútilo okolo 65nm až 45nm značky v polovici 2000-tych rokov, ale potom, čo sa koncom 21. storočia a začiatkom 2010-tych rokov objavil 32nm proces, sa rozpútalo peklo. Pre väčšinu zlievarní to bol posledný veľký uzol, ktorý by dodali na dlhé roky. 20nm TSCM z roku 2014 bol jednoducho zlý a iba jeho 16nm proces v roku 2015 bol hodnotnou inováciou z 28nm v roku 2011, Samsung to neurobil. dostať sa na 14nm do roku 2015 a GlobalFoundries (vyčlenené z fabrík AMD v roku 2000) si museli prenajať 14nm od Samsungu namiesto toho, vlastné.

Jednou z výrazných výnimiek z tohto chaosu bol Intel, ktorý v roku 2011 úspešne otvoril svoj 22nm proces. Plán vydania a kvalita procesov spoločnosti Intel však po 22nm značke začali skĺznuť. Jeho 14nm proces mal vyjsť v roku 2013, ale bol vydaný v roku 2014 s nízkymi taktovacími rýchlosťami a vysokou úrovňou defektov. Smiešne ciele Intelu s jeho 10nm uzlom ho nakoniec odsúdili do vývojárskeho pekla, keďže v roku 2015 premeškal štartovacie okno. Prvý 10nm čip prišiel v roku 2018 a je to jeden z najhorších procesorov Intel vôbec. 10nm procesor od Intelu, premenovaný na Intel 7 na marketingové účely, nebol úplne pripravený až do roku 2021.

Posledná katastrofa sa týka 3nm uzla TSMC, ktorý poskytuje výrazné zlepšenie hustoty v logických tranzistoroch (ktoré okrem iného tvoria jadrá v CPU a GPU), ale doslova žiadne zlepšenie hustoty v cache, známa aj ako SRAM. Neschopnosť zmenšiť vyrovnávaciu pamäť je totálna katastrofa a je možné, že zlievárne môžu naraziť na podobné problémy na budúcich uzloch. Aj keď je TSMC jedinou fabrikou, ktorá sa snaží zmenšiť vyrovnávaciu pamäť, je zároveň najväčším výrobcom čipov na planéte.

Keď čítate o smrti Moorovho zákona, to je to, čo to znamená, pretože ak spoločnosti nedokážu rok čo rok zvyšovať hustotu, počet tranzistorov nemôže stúpať. Ak sa počet tranzistorov nemôže zvýšiť, znamená to, že Mooreov zákon je mŕtvy. Spoločnosti sa dnes zameriavajú skôr na to, aby držali krok s výkonnostnými dôsledkami Moorovho zákona, než s technickými. Ak sa výkon zdvojnásobí každé dva roky, potom je všetko v poriadku. AMD a Intel používajú čiplety na zvýšenie počtu tranzistorov a výkonu pri súčasnom znižovaní nákladov a Nvidia sa spolieha výlučne na AI, aby odstránila nedostatok.

Procesné uzly sú v konečnom dôsledku len jedným faktorom v tom, či je čip dobrý

Vzhľadom na to, že nový proces môže čip zmenšiť, zvýšiť rýchlosť hodín a zvýšiť ho efektívne, a to všetko bez akýchkoľvek zásadných zmien v dizajne alebo architektúre, je zrejmé, prečo sú procesy také dôležité. Iné faktory, ako je balenie (ako sú štiepky alebo dlaždice alebo hromadiace žetóny) a AI sú však čoraz životaschopnejšie. spôsoby, ako dať procesoru hodnotu zvýšením výkonu alebo pridaním funkcií, nehovoriac o jednoduchej optimalizácii softvér. Smrť Moorovho zákona nie je ideálna, ale nie je to koniec polovodičového priemyslu.

Navyše, pretože uzly sú pomenované z marketingových dôvodov, neexistuje žiadny skutočný dôvod odhadovať kompetenciu čipu len na základe jeho procesu; napríklad 10nm od Intelu je v skutočnosti asi tak dobrý ako 7nm od TSMC, hoci 7 je menej ako 10. Je však tiež pravda, že proces nie je jedinou funkciou, na ktorej v procesore záleží. Veľa CPU, GPU a ďalších procesorov bolo zlých napriek tomu, že boli na dobrých uzloch, ako sú napríklad AMD Radeon VII, ktorý bol plne procesným uzlom pred Nvidia RTX 2080 Ti a napriek tomu bol taký pomalý, že bol jedno z najhorších GPU vôbec.

Samotný procesný uzol čipu nič neznamená. Bolo by to ako kupovať CPU výlučne na základe toho, koľko jadier má, alebo konzolu, pretože má vysoké spracovanie. To, na čom skutočne záleží v procesore, je jeho skutočný výkon, ktorý závisí od iných hardvérových špecifikácií a od toho, ako dobre sú aplikácie optimalizované pre tento hardvér. Ak len chcete vedieť, čo najlepší CPU alebo GPU alebo laptop je, procesný uzol vám to nepovie. Len vám povie, kto vyrobil čip.