Co jsou čipy CPU?

Historicky CPU rychle zvyšovaly výkon v souladu s neformálním „Moorovým zákonem“. Moorův zákon je pozorováním, že počet tranzistorů v procesorech a tím i výpočetní výkon procesorů se zhruba každé dva roky zdvojnásobí.

Moorův zákon se držel docela důsledně po celá desetiletí od jeho prvního předložení v roce 1965, především díky tomu, že výrobci procesorů neustále zdokonalovali, jak malé mohou tranzistory vyrobit. Zmenšení velikosti tranzistoru procesoru zvyšuje výkon, protože více tranzistorů se pak vejde do menšího prostoru a protože menší součástky jsou energeticky efektivnější.

Moorův zákon je mrtvý

Realisticky však Moorův zákon nikdy nebude platit věčně, protože smršťování součástí je čím dál tím těžší. Od roku 2010, v měřítku 14 a 10 nanometrů – to je 10 miliardtin metru – začali výrobci procesorů narážet na hranici toho, co je fyzicky možné. Výrobci procesorů se opravdu potýkali s tím, aby pokračovali ve zmenšování velikosti procesu pod 10 nm, ačkoli od roku 2020 jsou k dispozici některé 7 nm čipy a 5 nm čipy jsou ve fázi návrhu.

Aby výrobci procesorů bojovali s nedostatečným zmenšováním procesů, museli používat jiné metody, aby pokračovali ve zvyšování výkonu procesoru. Jednou z těchto metod je jednoduše vyrábět větší procesory.

Výtěžek

Jedním z problémů při vytváření neuvěřitelně složitého procesoru, jako je tento, je to, že výtěžnost procesu není 100%. Některé vyrobené procesory jsou prostě při výrobě vadné a je třeba je vyhodit. Při výrobě většího procesoru větší plocha znamená, že u každého čipu je vyšší pravděpodobnost, že bude mít chybu, která vyžaduje, aby byl vyhozen.

Procesory jsou vyráběny v dávkách, s mnoha procesory na jediném křemíkovém plátku. Pokud například tyto wafery obsahují každý v průměru 20 chyb, pak bude potřeba vyhodit zhruba 20 procesorů na wafer. S malým designem CPU by mohlo být řekněme sto procesorů na jednom waferu; ztráta 20 není skvělá, ale 80% výnos by měl být ziskový. S větším designem se ale na jeden wafer nevejde tolik procesorů, na wafer se vejde snad jen 50 větších procesorů. Ztráta 20 z těchto 50 je mnohem bolestivější a je mnohem méně pravděpodobné, že bude zisková.

Poznámka: Hodnoty v tomto příkladu slouží pouze pro demonstrační účely a nemusí nutně představovat skutečné výnosy.

Chiplety

Aby se s tímto problémem vypořádali, výrobci procesorů oddělili některé funkce a komponenty do jednoho nebo více samostatných čipů, ačkoli zůstávají ve stejném celkovém balíčku. Tyto oddělené čipy jsou menší, než by byl jeden monolitický čip, a jsou známé jako „Chiplety“.

Každý jednotlivý čip ani nemusí používat stejný procesní uzel. Je zcela možné mít jak 7nm, tak 14nm čiplety ve stejném celkovém balení. Použití jiného procesního uzlu může pomoci ušetřit náklady, protože je jednodušší vytvářet větší uzly a výnosy jsou obecně vyšší, protože technologie je méně špičková.

Tip: Procesní uzel je termín používaný k označení rozsahu použitých tranzistorů.

Například u serverových CPU druhé generace EPYC od AMD jsou procesorová jádra CPU rozdělena mezi osm samostatných čipletů, z nichž každý využívá uzel procesoru 7 nm. Samostatný 14nm node chiplet se také používá pro zpracování I/O, neboli Input/Output chipletů a celého CPU paketu.

Intel navrhuje některé ze svých budoucích CPU tak, aby měly dva samostatné procesorové čipy CPU, z nichž každý běží na jiném procesním uzlu. Myšlenka je taková, že starší uzel spižírny lze použít pro úlohy s nižšími požadavky na napájení, zatímco novější menší uzel CPU jádra lze použít, když je potřeba maximální výkon. Návrh využívající uzel rozděleného zpracování bude zvláště užitečný pro Intel, který se snažil dosáhnout přijatelných výnosů pro svůj 10nm proces.