Nanometry to ściema. Jak producenci procesorów wpuszczają nas w maliny 

Nie od dziś w przypadku elektronicznych maszyn liczących kwestią problematyczną jest miara wydajności ich działania. Benchmark benchmarkowi nierówny, zaś ewentualne testy – jeśli w ogóle miałyby być brane pod uwagę jako rzetelne źródło informacji – należałoby przeprowadzać w ściśle standaryzowanych warunkach laboratoryjnych. Fachowców publikujących wyniki takich analiz w Sieci można policzyć na palcach obu rąk. 

Procesory i ich trudno mierzalna wydajność

Siłą rzeczy potrzebujemy zatem prostszych, wręcz umownych miar wydajności procesorów, które trafiają do naszych stacji roboczych. Te ewoluują – niegdyś za poglądową miarę wydajności uchodziły herce odnoszące się do częstotliwości taktowania zegara, co na pewnym etapie miało sporo sensu. Następnie, po wprowadzeniu architektury wielordzeniowej, to właśnie liczba rdzeni (tudzież rdzeniuf) była dla wielu wyznacznikiem szybkości procesora. 

W obu przypadkach z czasem okazywało się, że podbijanie taktowania do 4 czy 6 GHz lub też budowanie konsumenckich procesorów z ośmiu czy dwunastu rdzeni nie przekłada się już na takie wzrosty wydajności, jakich można byłoby oczekiwać, wzrastają za to temperatury i pobór mocy. Gdy więc wyczerpano format, w którym ogólną wydajność procesora miałby wyznaczać iloczyn częstotliwości taktowania i liczby rdzeni, konieczne znalezienie było odnalezienie kolejnej, dalece umownej miary, najlepiej wartości wyrażonej w konkretnej jednostce. 

Na marginesie można dodać, że swoje próby informowania o „klasie” procesora realizuje już od dawna Intel. Dla każdego zrozumiałe jest, że kolejne układy procesorów oznaczone jako i3 to low-end, i5 to średnia półka, zaś i7 i i9 to procesory najbardziej zaawansowane. Problem w tym, że te uproszczone oznaczenia nie odnoszą się przecież nijak do bezwzględnej wydajności, a wyłącznie porządkują ofertę Niebieskich. Zabawne formy przybierało to, kiedy i5 reklamowany w jakimś markecie był modelem kilkuletnim i lepsze osiągnięcia miała niejedna „i-trójka” z ostatniej generacji. 

Wciąż zatem brakowało solidnych miar bezwzględnej wydajności, a próby porządkowania chaosu często nadawały mu kolejne warstwy entropii. Wybór największych producentów procesorów padł następnie na nanometry. I w porównaniu z częstotliwością cykli i rdzeniami jest to wybór bodaj najbardziej chybiony. Nie bez powodu jest on dla wielu na tyle enigmatyczny, że trudno w ogóle stwierdzić, do czego odnosić mają się te przykładowe 7 nanometry. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie chodzi tam bowiem ani o „proces technologiczny”, ani o konkretne i ujednolicone rozmiary tranzystorów.

O co chodzi z tymi nanometrami

Do czego odnosić się ma zatem informacja o tym, że dany procesor jest wykonany 10-nanometrowym procesie? Można byłoby założyć, że chodzi o wymiary, wszak nanometr jest przecież jednostką długości. No dobrze, ale czego? Bardzo szybko rozpowszechniło się przekonanie, że chodzi o długość wiązki lasera, z którego użyciem wykonuje się litografię. Jest to jednak zły trop – od lat długość światła wykorzystywana w fabrykach procesora jest taka sama, choć może wkrótce się to zmienić za sprawą konieczności przechodzenia na zakres ekstremalnie dalekiego ultrafioletu (zakres poniżej 10 nm).

Wykorzystywane przez producentów oznaczenia 10 nm, 7 nm czy, jak miało to miejsce w przypadku TSMC, 2 nm odnoszą się jednak najczęściej do rozmiarów… tranzystorów wykorzystywanych w danym układzie. To może konfundować – wszak tranzystor to fizyczny trójwymiarowy obiekt, dlaczego zatem opisuje się go jednym rozmiarem? Otóż rzeczone przykładowe 7 nm nie jest faktycznym wymiarem, lecz jego nazwą! Zupełnie jako rozmiarówka w przypadku odzieży – rozmiar M odnosi się do kilku wymiarów i stanowi ich nazwę. 

Tranzystory S, M i L

Co ważne, nazwa rozmiaru M może oznaczać różne bezwzględne wymiary fizyczne. Jest to skutek braku globalnej standaryzacji wiążącej wszystkich producentów odzieży do stosowania jednej tabeli rozmiarów. I na nasze nieszczęście, bowiem jeszcze bardziej komplikuje całą sprawę, producenci procesorów również nie uzgodnili między sobą, aby przykładowe 10 nm było nazwą rozmiaru dla konkretnych wartości x × y × z, które odpowiadałyby fizycznym wymiarom procesora. Wszystko jest tu umowne, labilne i pozwala producentom ścigać się na kolejne nazwy coraz mniejszych rozmiarów tranzystorów, które jednak w praktyce są trudne do porównania czy wręcz nieporównywalne.

No właśnie, a czy nanometry to jakkolwiek sensowna miara wydajności procesorów? I tak, i nie. Przy czym trudno stwierdzić, aby była w czymkolwiek lepsza lub gorsza niż parametr częstotliwości, lub liczby rdzeni w swoim prime time – owszem, był moment, że większe wartości w tych aspektach rzeczywiście odróżniały szybsze układy od wolniejszych. Podobnie jest (a raczej już było) z nanometrami. Nieujednolicone nazwy wymiarów tranzystorów pozwalały informować, że za sprawą po miniaturyzacji zwiększy się ich gęstość na tej samej powierzchni procesora. A więcej tranzystorów przekładać może się bezpośrednio na większą wydajność.

Problem w tym, że dalsza miniaturyzacja tranzystorów okazuje się w naszych niełatwych czasach coraz większym wyzwaniem. Ekstrapolacja Moore’a (ekstrapolacja, a nie prawo, jak się powszechnie sądzi, sam zainteresowany od zawsze był sceptyczny wobec apologetów prawa, które rzekomo sformułował) od około 2014-2015 roku nie może być już porównana do faktycznego tempa miniaturyzacji tranzystorów, rozwój w tym obszarze znacząco spowolnił, co znów świetnie odzwierciedla oferta Intela – producent zaczął sięgać pod starsze „miary wydajności” i zaczął podkręcać zegary procesorów i zwiększać liczbę CPU, zapędzając się tym coraz bardziej w kozi róg z każdą kolejną generacją.

Nowa polityka Intela – teraz czas na „węzły”

Nie oznacza to jednak, że liczba tranzystorów w procesorach nie zwiększa się wcale. Wręcz przeciwnie, niemniej nie ze względu na dalszą miniaturyzację. Rozwój odbywa się dziś poprzez opracowywanie nowych tranzystorów różniących się od poprzednich budową, innowacjami konstrukcyjnymi. Celem jest zbudowanie takich tranzystorów, aby te np. mogły ze sobą współdzielić niektóre elementy, oszczędzając przy tym miejsce, popularne jest także takie upakowywanie tranzystorów w sposób kojarzący się z Tetrisem, tak aby mogło ich się pomieścić w procesorach jak najwięcej.

Tu się jednak pojawia problem, gdyż przez to gorącym kartoflem przerzucanym z rąk do rąk staje się kwestia rozmiaru tranzystorów. Nie tylko nie będzie się ona zmieniać, sugerując zastój w ofercie tego lub innego producenta, ale także utrudniać mu możliwość zapewnienia konsumentów o faktycznych wzrostach wydajności wynikających z zastosowywania co raz to nowszych typów tranzystorów. Intel zdał już sobie z tego sprawę, co potwierdzają informacje przekazane podczas wczorajszej konferencji Niebieskich. 

Podczas prezentacji układów z serii Meteor Lake wprowadzono zapowiedziane już wcześniej nowe nazewnictwo odnoszące się do wydajności konkretnych układów czy też tego jak są zbudowane. Najciekawsze jest to, że zdają się one wprowadzać jeszcze więcej zamieszania, niż było dotychczas, a część komentatorów i redakcji w ogóle nie zamierza stosować nowego systemu. Na nazwy rozmiarów (a nie, jak już ustaliliśmy rozmiary) pokroju 7 nm czy 10 nm postanowiono nałożyć bowiem kolejną warstwę abstrakcji w postaci… nowych nazw! Odtąd np. 7 nm będzie oznaczane nazwą I4, od Intel 4. I7 odnosi się z kolei do układów oznaczanych wcześniej metką 10 nm. 

Na tym nie koniec! Każda z nowych nazw wiązać się będzie bowiem nie tylko z nazwą rozmiaru tranzystorów, ale też z ich typem, np. I7 wykorzystywały tranzystory FinFET, a Intel 7 SuperFin. Procesory produkowane od 2023 do 2024 roku będą nazywane I3, ale następnie znów zmieni się „miara wydajności” i na rynek wejdą układy Intel 20A z tranzystorami RibbonFET i Intel18A. 

Kolejne warstwy abstrakcji

Jeśli Czytelnik odnajduje w nowym systemie oznaczania procesorów logikę i porządek, to przesyłam wyrazy szczerego uznania. Wygląda bowiem na to, że producenci w zamiarze odchodzenia od coraz bardziej trącących myszką nanometrów, rdzeni i częstotliwości, dążą do nowych klasyfikacji łączących wiele różnych aspektów, jak choćby wspomniane wymiary tranzystora z ich budową. Nie sposób się jednak oprzeć wrażeniu, że nie tylko nie przybliża nas do wypracowania globalnych standardów mierzenia wydajności procesorów, lecz jeszcze bardziej komplikuje sytuację i oddala od dostępu do rzetelnych informacji.