Čo sú čipy CPU?

Historicky CPU rýchlo zvyšovali výkon v súlade s neformálnym „Moorovým zákonom“. Moorov zákon je pozorovaním, že počet tranzistorov v procesoroch a tým aj výpočtový výkon procesorov sa zdvojnásobuje zhruba každé dva roky.

Moorov zákon sa od svojho prvého uvedenia v roku 1965 držal celkom dôsledne celé desaťročia, a to predovšetkým vďaka tomu, že výrobcovia procesorov neustále zdokonaľovali, ako malé by mohli tranzistory vyrobiť. Zmenšenie veľkosti tranzistora procesora zvyšuje výkon, pretože viac tranzistorov sa potom zmestí do menšieho priestoru a pretože menšie komponenty sú energeticky efektívnejšie.

Moorov zákon je mŕtvy

V skutočnosti však Moorov zákon nikdy nebude platiť večne, pretože zmenšovanie komponentov je čím ďalej tým ťažšie. Od roku 2010 začali výrobcovia procesorov na 14 a 10 nanometrovej stupnici – to je 10 miliardtin metra – narážať na hranicu toho, čo je fyzicky možné. Výrobcovia procesorov sa skutočne snažili naďalej zmenšovať veľkosť procesu pod 10 nm, hoci od roku 2020 sú k dispozícii niektoré 7 nm čipy a 5 nm čipy sú v štádiu návrhu.

V boji proti nedostatočnému zmršťovaniu procesov museli výrobcovia procesorov použiť iné metódy, aby pokračovali vo zvyšovaní výkonu procesora. Jednou z týchto metód je jednoducho výroba väčších procesorov.

Výťažok

Jedným z problémov pri vytváraní neuveriteľne zložitého procesora, ako je tento, je, že výnos procesu nie je 100%. Niektoré vyrobené procesory sú jednoducho chybné pri výrobe a treba ich vyhodiť. Pri výrobe väčšieho procesora väčšia plocha znamená, že existuje väčšia šanca, že každý čip bude mať chybu, ktorá si vyžaduje, aby bol vyhodený.

Procesory sa vyrábajú v dávkach s mnohými procesormi na jednej kremíkovej doštičke. Napríklad, ak tieto wafery obsahujú v priemere 20 chýb, potom bude potrebné vyhodiť približne 20 procesorov na wafer. S malým dizajnom CPU by mohlo byť povedzme sto procesorov na jednom waferi; strata 20 nie je skvelá, ale 80% výnos by mal byť ziskový. Pri väčšom dizajne však na jeden wafer nezmestíte toľko procesorov, na wafer sa zmestí možno len 50 väčších procesorov. Strata 20 z týchto 50 je oveľa bolestivejšia a je oveľa menej pravdepodobné, že bude zisková.

Poznámka: Hodnoty v tomto príklade sa používajú len na demonštračné účely a nemusia nevyhnutne reprezentovať výnosy v reálnom svete.

Chiplety

Na boj proti tomuto problému výrobcovia procesorov oddelili niektoré funkcie a komponenty do jedného alebo viacerých samostatných čipov, hoci zostávajú v rovnakom celkovom balíku. Tieto oddelené čipy sú menšie ako jeden monolitický čip a sú známe ako „čipy“.

Každý jednotlivý čip ani nemusí používať rovnaký procesný uzol. Je úplne možné mať 7 nm aj 14 nm čiplety v rovnakom celkovom balení. Použitie iného procesného uzla môže pomôcť ušetriť náklady, pretože je jednoduchšie vytvárať väčšie uzly a výnosy sú vo všeobecnosti vyššie, pretože technológia je menej špičková.

Tip: Procesný uzol je termín používaný na označenie rozsahu použitých tranzistorov.

Napríklad v druhej generácii procesorov EPYC serverov AMD sú jadrá procesorov rozdelené na osem samostatných čipov, z ktorých každý používa uzol procesora 7 nm. Samostatný 14 nm node chiplet sa používa aj na spracovanie I/O, alebo Input/Output chipletov a celého CPU balíka.

Intel navrhuje niektoré zo svojich budúcich CPU tak, aby mali dva samostatné procesorové čipy CPU, z ktorých každý beží na inom procesnom uzle. Myšlienka je taká, že starší uzol je možné použiť na úlohy s nižšími požiadavkami na energiu, zatiaľ čo novšie menšie jadrá CPU uzla možno použiť, keď je potrebný maximálny výkon. Dizajn využívajúci uzol rozdeleného spracovania bude obzvlášť užitočný pre spoločnosť Intel, ktorá sa snažila dosiahnuť prijateľné výnosy pre svoj 10 nm proces.