Що таке вузол процесу?

Якщо ви коли-небудь переглядали технічні характеристики чи рекламу процесора, графічного процесора чи навіть повноцінного пристрою, наприклад на ноутбуці чи настільному комп’ютері, ви, мабуть, бачили ажіотаж навколо того, як він використовує 7-нм, 5-нм або навіть 4-нм процес, вузол або процес вузол. Але, як і багато інших технічних специфікацій, вузол процесу набагато складніший за просте число, яке рідко пояснюється маркетингом, і це не те, про що вам потрібно надто піклуватися. Ось усе, що вам потрібно знати про вузли процесу, що вони насправді означають для комп’ютерних мікросхем.

Вузли процесів: головна причина того, чому процесори стають швидшими з кожним роком

Вузли процесу пов’язані з виробництвом чіпів, яке також називають виготовленням або «фаббінгом», яке відбувається на підприємствах, відомих як фабрики або ливарні. Хоча практично всі мікросхеми виготовляються з використанням кремнію, існують різні виробничі процеси, які можуть використовувати ливарні заводи, і саме тут ми отримали термін «процес». Процесори складаються з багатьох транзисторів, і чим більше транзисторів, тим краще, але оскільки чіпи можуть бути лише такими великий, упаковка більшої кількості транзисторів у мікросхему шляхом зменшення простору між транзисторами для збільшення щільності є великою справа. Винахід нових і кращих процесів або вузлів є основним способом досягнення більшої щільності.

Різні процеси або вузли розрізняються за довжиною, яка історично вимірювалася в мікрометрах і нанометрах, і чим менше число, тим кращий процес (подумайте про правила гольфу). Раніше це число позначало фізичні розміри транзистора, які виробники хочуть зменшити при створенні нового процесу, але після 28-нм вузла ця цифра стала довільною. 5-нм вузол TSMC насправді не є 5-нм, TSMC просто хоче, щоб ви знали, що він кращий за 7-нм і не такий хороший, як 3-нм. З тієї ж причини цю цифру не можна використовувати для порівняння сучасних процесів; 5-нм техпроцес TSMC абсолютно відрізняється від 5-нм техпроцесу Samsung, і навіть у випадку N4 процесу TSMC це вважається частиною 5-нм сімейства TSMC. Збентежено, я знаю.

Нові процеси не тільки збільшують щільність, але й підвищують тактову частоту та ефективність. Наприклад, 5-нм вузол TSCM (використовується в Ryzen 7000 і RX 7000 процесори) порівняно зі своїм старим 7-нм техпроцесом може забезпечити або на 15% вищу тактову частоту при тій самій потужності, або на 30% нижчу потужність при тій самій частоті, або комбінацію обох за ковзною шкалою. Збільшення частоти та ефективності раніше було набагато більш драматичним до середини 2000-х років, оскільки скорочення транзисторів безпосередньо зменшувало енергоспоживання в старих процесах, ця тенденція називається Dennard масштабування.

Смерть закону Мура та яке відношення до цього мають вузли процесу

Основною мотивацією для компаній використовувати нові процеси є йти в ногу з так званим законом Мура, спостереженням, зробленим легендарним напівпровідниковим діячем Гордоном Муром у 1965 році. Початковий закон стверджував, що швидкість зростання кількості транзисторів у найшвидшому процесорі подвоюється кожні два роки; якщо найшвидший процесор за один рік матиме 500 мільйонів транзисторів, за два роки має бути такий, який матиме мільярд транзисторів. Протягом понад 40 років промисловість могла підтримувати цей темп, винаходячи нові процеси, кожен з яких мав більшу щільність, ніж попередній.

Однак у 2000-х галузь почала натикатися на перешкоди. Спочатку в середині 2000-х років масштабування за Деннардом впало приблизно з 65 до 45 нм, але після того, як наприкінці 2000-х і на початку 2010-х років з’явився 32-нм процес, почалося пекло. Для більшості ливарних заводів це був останній великий вузол, який вони поставляли протягом багатьох років. 20-нанометровий техпроцес TSCM у 2014 році був просто поганим, і лише його 16-нанометровий техпроцес у 2015 році був вартим оновлення порівняно з 28-нанометровим техпроцесом у 2011 році, а Samsung цього не зробив. отримати 14-нм технологію до 2015 року, і GlobalFoundries (відокремилася від фабрик AMD у 2000-х роках) була змушена орендувати 14-нм технологію Samsung, а не виготовляти власні.

Одним із помітних винятків із цієї негаразди стала компанія Intel, яка успішно випустила свій 22-нм процес у 2011 році. Однак графік випуску Intel і якість процесу почали падати після позначки 22 нм. Його 14-нм процес повинен був вийти в 2013 році, але був випущений в 2014 році з низькою тактовою частотою і великим рівнем дефектів. Безглузді цілі Intel щодо 10-нм вузла зрештою прирекли її на пекло розробки, пропустивши вікно запуску 2015 року. Перший 10-нм чіп з’явився в 2018 році це один із найгірших процесорів Intel. 10-нанометровий процесор Intel, перейменований на Intel 7 з маркетингових цілей, не був повністю готовий до 2021 року.

Остання катастрофа стосується 3-нм вузла TSMC, що забезпечує значне покращення щільності логічних транзисторів (з них, серед іншого, складають ядра процесорів і графічних процесорів), але буквально жодного покращення щільності в кеш, також відомий як SRAM. Неможливість зменшити кеш — це повна катастрофа, і можливо, ливарні заводи можуть зіткнутися з подібними проблемами на майбутніх вузлах. Навіть якщо TSMC — єдина фабрика, яка намагається зменшити кеш-пам’ять, вона також є найбільшим виробником мікросхем на планеті.

Коли ви читаєте про смерть закону Мура, це означає ось що: якщо компанії не можуть збільшувати щільність рік за роком, кількість транзисторів не може збільшуватися. Якщо кількість транзисторів не може підвищитися, це означає, що закон Мура мертвий. Сьогодні компанії зосереджені на тому, щоб не відставати від закону Мура, а не від технічних. Якщо продуктивність подвоюється кожні два роки, то все добре. AMD і Intel використовують чіплети, щоб збільшити кількість транзисторів і продуктивність при зниженні витрат, а Nvidia покладається виключно на штучний інтелект, щоб вирішити цю проблему.

Зрештою, технологічні вузли є лише одним із факторів, які впливають на якість чіпа

Враховуючи, що новий процес може зменшити чіп, підвищити його тактову частоту та збільшити ефективність, без внесення будь-яких серйозних змін у дизайн чи архітектуру, очевидно, чому процеси такі важливо. Однак інші фактори, як-от упаковка (такі як чіплети, плитки чи чіпи для стекування) і штучний інтелект стають дедалі життєздатнішими. способи підвищення ефективності процесора або додавання функцій, не кажучи вже про просту оптимізацію програмне забезпечення. Смерть закону Мура є неідеальною, але це не кінець напівпровідникової промисловості.

Крім того, оскільки вузли названі з маркетингових міркувань, немає реальних причин оцінювати компетентність чіпа виключно на основі його процесу; наприклад, 10-нм техпроцес Intel насправді такий же хороший, як і 7-нм TSMC, незважаючи на те, що 7 менше, ніж 10. Однак також правда, що процес — це не єдина функція, яка має значення в процесорі. Багато процесорів, графічних процесорів та інших процесорів були поганими, незважаючи на те, що вони були на хороших вузлах, таких як AMD Radeon VII, який був повноцінним вузлом процесу, випереджаючи RTX 2080 Ti від Nvidia, але був настільки повільним, що один із найгірших графічних процесорів.

Сам по собі технологічний вузол мікросхеми нічого не означає. Це було б схоже на те, що купувати процесор виключно на основі кількості ядер, або консоль, оскільки вона має швидку обробку. Що дійсно має значення в процесорі, так це його фактична продуктивність, яка зводиться до специфікацій іншого обладнання та того, наскільки добре оптимізовані програми для цього обладнання. Якщо ви просто хочете знати, що найкращий процесор або GPU або ноутбук тобто вузол процесу не скаже вам цього. Це просто говорить вам, хто зробив чіп.