Kaj je procesno vozlišče?

Če ste kdaj pogledali specifikacijski list ali oglas za CPE, GPE ali celo popolnoma izdelano napravo, kot je prenosnik ali namizni računalnik, ste verjetno opazili navdušenje nad tem, da uporablja 7nm ali 5nm ali celo 4nm proces, vozlišče ali proces vozlišče. Toda tako kot mnoge tehnične specifikacije je procesno vozlišče veliko bolj zapleteno kot preprosta številka, ki jo trženje redko razloži, in ni nekaj, kar bi vam moralo biti preveč mar. Tukaj je vse, kar morate vedeti o procesnih vozliščih, kaj dejansko pomenijo za računalniške čipe.

Procesna vozlišča: velik razlog, zakaj so procesorji vsako leto brez napak hitrejši

Procesna vozlišča imajo vse opraviti s proizvodnjo čipov, imenovano tudi izdelava ali "fabbing", ki poteka v obratih, znanih kot tovarne ali livarne. Čeprav so skoraj vsi čipi izdelani s silicijem, obstajajo različni proizvodni procesi, ki jih lahko uporabljajo livarne, in tukaj dobimo izraz proces. Procesorji so sestavljeni iz številnih tranzistorjev in več ko je tranzistorjev, tem bolje, a ker so čipi lahko samo velik, pakiranje več tranzistorjev v čip z zmanjšanjem prostora med tranzistorji za povečanje gostote je velik dogovor. Izum novejših in boljših procesov ali vozlišč je primarni način za doseganje večje gostote.

Različni procesi ali vozlišča se razlikujejo po dolžini, ki je bila zgodovinsko merjena v mikrometrih in nanometrih, in nižje kot je število, boljši je proces (pomislite na pravila golfa). Ta številka se je včasih nanašala na fizične dimenzije tranzistorja, ki jih proizvajalci želijo zmanjšati pri ustvarjanju novega procesa, po 28nm vozlišču pa je ta številka postala poljubna. TSMC-jevo 5nm vozlišče dejansko ni 5nm, TSMC samo želi, da veste, da je boljše od 7nm in ne tako dobro kot 3nm. Iz istega razloga te številke ni mogoče uporabiti za primerjavo sodobnih procesov; TSMC-jev 5nm je popolnoma drugačen od Samsungovega 5nm in tudi v primeru TSMC-jevega procesa N4 je velja za del 5nm družine TSMC. Zmedeno, vem.

Novi procesi ne povečajo samo gostote, temveč tudi povečajo takt in učinkovitost. Na primer, 5nm vozlišče TSCM (uporabljeno v Ryzen 7000 in RX 7000 procesorji) v primerjavi s svojim starejšim 7nm procesom lahko zagotovi bodisi 15 % višjo hitrost pri enaki moči ali 30 % manjšo moč pri isti frekvenci ali kombinacijo obeh na drseči lestvici. Povečanje frekvence in učinkovitosti je bilo veliko bolj dramatično do sredine 2000-ih, kot krčenje tranzistorjev je neposredno zmanjšalo porabo energije v starejših procesih, trend, imenovan Dennard skaliranje.

Smrt Moorovega zakona in kakšna so s tem povezana procesna vozlišča

Ključna motivacija za podjetja, da uporabljajo novejše postopke, je, da držijo korak z nečim, kar se imenuje Moorov zakon, ugotovitev legendarnega polprevodnika Gordona Moora leta 1965. Prvotni zakon je navajal, da se stopnja rasti tranzistorjev v najhitrejšem CPE podvoji vsaki dve leti; če ima najhitrejši procesor v enem letu 500 milijonov tranzistorjev, bi moral biti čez dve leti tak, ki ima milijardo tranzistorjev. Več kot 40 let je industrija lahko držala ta tempo z izumljanjem novih procesov, od katerih je bil vsak z večjo gostoto kot prejšnji.

Vendar pa je industrija začela naletavati na težave v 2000-ih. Najprej se je Dennardovo skaliranje sredi 2000-ih zrušilo okoli meje 65 nm na 45 nm, toda po tem, ko se je v poznih 2000-ih in zgodnjih 2010-ih pojavil 32-nm postopek, se je začelo hudičevo. Za večino livarn je bilo to zadnje večje vozlišče, ki so ga dobavili več let. TSCM-ov 20nm iz leta 2014 je bil preprosto slab in samo njegov 16nm proces iz leta 2015 je bil vredna nadgradnja 28nm iz leta 2011, Samsung pa ni priti do 14nm do leta 2015 in GlobalFoundries (izločen iz AMD-jevih tovarn v 2000-ih) je moral zakupiti Samsungov 14nm, namesto da bi izdelal svoj lasten.

Ena opazna izjema v tem pretresu je bil Intel, ki je leta 2011 uspešno predstavil svoj 22nm proces. Vendar sta Intelov razpored izdaj in kakovost procesov začela zdrsevati po oznaki 22 nm. Njegov 14nm proces naj bi izšel leta 2013, vendar je bil izdan leta 2014 z nizkimi takti in visoko stopnjo napak. Intelovi smešni cilji z njegovim 10nm vozliščem so ga nazadnje obsodili na razvojni pekel, saj je zamudil okno lansiranja leta 2015. Prvi 10nm čip je prišel leta 2018 in je eden najslabših procesorjev Intel doslej. Intelov 10nm, preimenovan v Intel 7 za namene trženja, ni bil popolnoma pripravljen do leta 2021.

Najnovejša katastrofa zadeva 3nm vozlišče TSMC, ki zagotavlja znatno izboljšanje gostote v logičnih tranzistorjih (ki med drugim sestavljajo jedra v procesorjih CPE in GPU), vendar dobesedno ne izboljša gostote v predpomnilnik, znan tudi kot SRAM. Nezmožnost skrčenja predpomnilnika je popolna katastrofa in možno je, da bodo livarne na prihodnjih vozliščih naletele na podobne težave. Čeprav je TSMC edina tovarna, ki se trudi zmanjšati predpomnilnik, je tudi največji proizvajalec čipov na planetu.

Ko berete o smrti Moorovega zakona, to pomeni to, kajti če podjetja ne morejo povečevati gostote iz leta v leto, se število tranzistorjev ne more povečevati. Če se število tranzistorjev ne more povečati, potem to pomeni, da je Moorov zakon mrtev. Danes so podjetja osredotočena na sledenje vplivom Moorovega zakona na uspešnost, ne pa na tehnične. Če se uspešnost vsaki dve leti podvoji, je vse v redu. AMD in Intel uporabljata čiplete za povečanje števila tranzistorjev in zmogljivosti ob zniževanju stroškov, Nvidia pa se zanaša izključno na AI, da bi pobrala ohlapnost.

Navsezadnje so procesna vozlišča le en dejavnik pri tem, ali je čip dober

Glede na to, da lahko nov proces zmanjša čip, mu poveča takt in ga poveča učinkoviti, brez kakršnih koli večjih sprememb v oblikovanju ali arhitekturi, je očitno, zakaj so procesi takšni pomembno. Vendar pa postajajo drugi dejavniki, kot so embalaža (kot so čipleti ali ploščice ali zlaganje čipov) in umetna inteligenca, vse bolj izvedljivi načine, kako dati vrednost procesorju s povečanjem zmogljivosti ali dodajanjem funkcij, da ne omenjamo preproste optimizacije v programsko opremo. Smrt Moorovega zakona je neidealna, vendar to ni konec industrije polprevodnikov.

Poleg tega, ker so vozlišča poimenovana iz tržnih razlogov, ni pravega razloga za ocenjevanje sposobnosti čipa samo na podlagi njegovega procesa; na primer, Intelov 10nm je dejansko tako dober kot TSMC-jev 7nm, čeprav je 7 manj kot 10. Res pa je tudi, da proces ni edina pomembna lastnost procesorja. Veliko CPE-jev, GPU-jev in drugih procesorjev je bilo slabih, čeprav so bili na dobrih vozliščih, kot je AMD-jevo Radeon VII, ki je bil polno procesno vozlišče pred Nvidijinim RTX 2080 Ti, vendar je bil tako počasen, da je eden najslabših grafičnih procesorjev vseh časov.

Procesno vozlišče čipa samo po sebi ne pomeni ničesar. To bi bilo tako, kot da bi kupili CPE samo glede na to, koliko jeder ima, ali konzolo, ker ima visoko obdelavo. Kar je pri procesorju res pomembno, je njegova dejanska zmogljivost, ki je odvisna od drugih specifikacij strojne opreme in tega, kako dobro so aplikacije optimizirane za to strojno opremo. Če samo želite vedeti, kaj najboljši CPU oz GPU oz prenosnik procesno vozlišče vam tega ne bo povedalo. Pove le, kdo je izdelal čip.