Vad är en processnod?

Om du någonsin har tittat på specifikationsbladet eller en annons för en CPU, GPU eller till och med en färdigbyggd enhet som en laptop eller stationär, har du förmodligen sett en hype kring hur den använder en 7nm eller 5nm, eller till och med 4nm process, nod eller process nod. Men som många tekniska specifikationer är processnoden mycket mer komplicerad än ett enkelt nummer, sällan förklarat av marknadsföring, och inte något du faktiskt behöver bry dig om för mycket. Här är allt du behöver veta om processnoder, vad de egentligen betyder för datorchips.

Processnoder: en stor anledning till att processorer blir snabbare varje år utan att misslyckas

Processnoder har allt att göra med spåntillverkning, även kallad tillverkning eller "fabbing", som sker i anläggningar som kallas fabs eller gjuterier. Även om praktiskt taget alla chips tillverkas med kisel, finns det olika tillverkningsprocesser som gjuterier kan använda, och det är här vi får termen process. Processorer består av många transistorer, och ju fler transistorer desto bättre, men eftersom chips bara kan vara så stora, att packa in fler transistorer i ett chip genom att minska utrymmet mellan transistorerna för att öka densiteten är en stor handla. Uppfinningen av nyare och bättre processer eller noder är det primära sättet att uppnå större densitet.

Olika processer eller noder särskiljs av en längd som historiskt har mätts i mikrometer och nanometer, och ju lägre siffra desto bättre är processen (tänk golfregler). Detta nummer brukade referera till de fysiska dimensionerna av en transistor, som tillverkare vill krympa när de skapar en ny process, men efter 28nm-noden blev denna siffra godtycklig. TSMC: s 5nm-nod är faktiskt inte 5nm, TSMC vill bara att du ska veta att den är bättre än 7nm och inte lika bra som 3nm. Av samma anledning kan den siffran inte användas för att jämföra moderna processer; TSMC: s 5nm skiljer sig helt från Samsungs 5nm, och även i fallet med TSMC: s N4-process är det anses vara en del av TSMC: s 5nm-familj. Förvirrande, jag vet.

Nya processer ökar inte bara densiteten, men de tenderar också att öka klockhastigheten och effektiviteten. Till exempel, TSCM: s 5nm-nod (används i Ryzen 7000 och RX 7000 processorer) jämfört med sin äldre 7nm-process kan ge antingen 15 % högre klockhastighet vid samma effekt eller 30 % lägre effekt vid samma frekvens, eller en kombination av de två på en glidande skala. Frekvens- och effektivitetsvinster brukade dock vara mycket mer dramatiska fram till mitten av 2000-talet krympande transistorer minskade direkt strömförbrukningen i äldre processer, en trend som kallas Dennard skalning.

Moores lags död och vilka processnoder har med det att göra

Den viktigaste motivationen för företag att använda nyare processer är att hålla jämna steg med något som kallas Moores lag, en observation som gjordes av den legendariska halvledarfiguren Gordon Moore 1965. Den ursprungliga lagen angav att tillväxttakten för transistorer i den snabbaste CPU: n fördubblas vartannat år; om den snabbaste processorn på ett år har 500 miljoner transistorer borde det om två år finnas en som har en miljard transistorer. I över 40 år har industrin kunnat hålla denna takt genom att uppfinna nya processer, var och en med högre densitet än den förra.

Men branschen började slå hål på 2000-talet. Först kollapsade Dennard-skalningen runt 65nm till 45nm-märket i mitten av 2000-talet, men efter att 32nm-processen kom ut i slutet av 2000-talet och början av 2010-talet bröt helvetet löst. För de flesta gjuterier var detta den sista större noden de skulle leverera på flera år. TSCM: s 20nm från 2014 var helt enkelt dålig och bara dess 16nm-process 2015 var en givande uppgradering från 28nm 2011, det gjorde inte Samsung komma till 14nm fram till 2015, och GlobalFoundries (spunnet från AMD: s fabs på 2000-talet) var tvungna att hyra Samsungs 14nm istället för att göra sin egen.

Ett anmärkningsvärt undantag från denna turbulens var Intel, som framgångsrikt fick sin 22nm-process utanför dörren 2011. Intels releaseschema och processkvalitet började dock sjunka efter 22nm-märket. Dess 14nm-process var tänkt att komma ut 2013 men släpptes 2014 med låga klockhastigheter och höga nivåer av defekter. Intels löjliga mål med sin 10nm-nod dömde den till slut till utvecklingshelvetet och missade lanseringsfönstret för 2015. Det första 10nm-chippet kom 2018, och det är en av Intels sämsta processorer någonsin. Intels 10nm, omdöpt till Intel 7 i marknadsföringssyfte, var inte helt klar förrän 2021.

Den senaste katastrofen gäller TSMC: s 3nm-nod, vilket ger en betydande förbättring av densiteten i logiska transistorer (som är vad som bland annat utgör kärnor i CPU: er och GPU: er), men bokstavligen ingen som helst förbättring av densiteten i cache, även känd som SRAM. Att inte kunna krympa cachen är en total katastrof, och det är möjligt att gjuterier kan stöta på liknande problem på framtida noder. Även om TSMC är den enda fab som kämpar för att krympa cachen, är det också den största chipproducenten på planeten.

När du läser om Moores lags död är detta vad det betyder, för om företag inte kan öka densiteten år efter år, kan antalet transistorer inte öka. Om transistorantalet inte kan stiga, betyder det att Moores lag är död. Idag är företag fokuserade på att hålla jämna steg med prestandakonsekvenserna av Moores lag, snarare än de tekniska. Om prestationen fördubblas vartannat år är allt bra. AMD och Intel använder chiplets för att öka både transistorantal och prestanda samtidigt som de minskar kostnaderna, och Nvidia förlitar sig enbart på AI för att ta upp slacket.

I slutändan är processnoder bara en faktor för huruvida ett chip är bra

Med tanke på att en ny process kan göra ett chip mindre, ge det en klockhastighetshöjning och göra det mer effektivt, allt utan att göra några större förändringar i design eller arkitektur, det är uppenbart varför processer är så Viktig. Men andra faktorer som förpackningar (som chiplets eller plattor eller stapling av chips) och AI blir allt mer lönsamma sätt att ge värde till en processor genom att öka prestanda eller lägga till funktioner, för att inte tala om enkel optimering i programvara. Moores lags död är unideal, men det är inte slutet på halvledarindustrin.

Dessutom, eftersom noder namnges av marknadsföringsskäl, finns det ingen verklig anledning att uppskatta ett chips kompetens enbart baserat på dess process; till exempel är Intels 10nm faktiskt ungefär lika bra som TSMC: s 7nm trots att 7 är mindre än 10. Men det är också sant att en process inte är den enda funktion som är viktig i en processor. Många processorer, grafikprocessorer och andra processorer har varit dåliga trots att de är på bra noder, som AMD: s Radeon VII, som var en fullständig processnod före Nvidias RTX 2080 Ti och ändå var så långsam att vara en av de sämsta GPU: erna någonsin.

I sig betyder processnoden för ett chip ingenting. Det skulle vara som att köpa en CPU enbart baserat på hur många kärnor den har, eller en konsol eftersom den har blast-bearbetning. Det som verkligen betyder något i en processor är dess faktiska prestanda, vilket beror på andra hårdvaruspecifikationer och hur väloptimerade applikationer är för den hårdvaran. Om du bara vill veta vad bästa CPU eller GPU eller bärbar dator är att processnoden inte berättar det. Den berättar bara vem som gjorde chippet.