di  -  mercoledì 22 marzo 2017

Ben ritrovati. Dopo poco meno di un anno dal precedente, arriva un nuovo articolo di Nessuno su Appunti Digitali. Senza scherzare è da dicembre che cerco di pubblicarlo ma fra lavoro e famiglia… Grazie della pazienza a voi e soprattutto grazie a Nessuno per il suo contributo.

Eccoci ad un nuovo articolo sulla situazione delle GPU.
Sarà un’avventura all’interno del mondo dei dispositivi grafici moderni.
Un viaggio che coprirà annunci, aspettative, fatti, schede tecniche, aneddoti e qualche approfondimento. E quindi non sarà breve.
È stato scritto in un arco di tempo abbastanza ampio, per cui date presunte di annunci e presentazioni sono state modificate. Ove noto sono state corrette.
Al solito non ho la pretesa di scrivere verità assolute, e ogni visione alternativa e documentata è ben accetta.
Spero comunque che sia per voi un piacevole percorso ricco di spunti di riflessione.

#1. I 14 nm, perché così necessari

Era dicembre 2011 quando i 28nm entrarono nel mondo GPU: poco prima di Natale infatti AMD annunciava la imminente messa in commercio delle sue nuove soluzioni post Terascale basate sui 40nm (nm = nanometro, pari a un miliardesimo di millimetro).
A Gennaio 2012 con le schede AMD disponibili per i test pubblici si è potuto valutare il nuovo processo produttivo (da qui in poi anche scritto PP), i vantaggi che portava e quali problemi di gioventù ancora aveva, iniziando la storia che è già stata raccontata.
4 anni e 6 mesi dopo, esce sul mercato la prima soluzione basata sul post 28nm. Ci sono voluti 54 mesi (alla faccia della legge di Moore!), 2 architetture e mezzo da parte di NVIDIA e una architettura con 2 revisioni da parte di AMD per poter finalmente fare un balzo in avanti.

La storia dei microprocessori (al cui gruppo le moderne GPU appartengono) ci ha mostrato che le maggiori evoluzioni sono avvenute grazie alla disponibilità di nuovi processi produttivi in grado di migliorare tutte le caratteristiche tecniche di un prodotto. Quindi anche questa volta ci apprestiamo a valutare i vantaggi e i problemi degli ultimi processi produttivi insieme alla valutazione generale dell’aumento di prestazioni che hanno permesso nel mercato delle GPU.

Avremo un approfondimento specifico sui processi produttivi e i loro vantaggi più avanti.
Ci basti dire ora solo che la dimensione del chip è il fattore numero uno limitante nella realizzazione dei circuiti elettronici. Per ovviare a questo inconveniente, chi progetta i chip necessita continuamente della possibilità di poter integrare un numero sempre maggiore di unità di calcolo e di risorse in generale nella stessa superficie mantenendo i costi quanto più contenuti possibile.
I nuovi processi produttivi dunque devono permettere:
1. maggiore densità dei transistor, ovvero una integrazione di un numero maggiore di porte logiche sulla stessa superficie
2. diminuzione dell’energia da applicare ai transistor per farli lavorare come interruttori

Da qui abbiamo i seguenti vantaggi tangibili:
1. abbassamento dei costi (attenzione, non necessariamente dei prezzi determinati da molti altri fattori che non dal semplice costo del prodotto finito) per riduzione delle superfici a parità di transistor usati (o prestazioni)
2. aumento delle frequenze massime, con conseguente aumento delle prestazioni che si somma al maggior numero di transistor integrabili (e quindi potenziali nuove unità di calcolo) sulla stessa superficie.
3. diminuzione della corrente assorbita, e quindi del calore da dissipare, che permette di migliorare il punto 2 che a sua volta influisce sul punto 1.

Nonostante gli iniziali svantaggi nell’adozione di un nuovo PP, le aziende costruttrici di circuiti integrati complessi tendono a usufruirne appena possibile perché è l’unico vero modo di superare i limiti che hanno incontrato nella progettazione della vecchia generazione di chip, quali il numero di transistor integrabili, le prestazioni per Watt e ormai sempre più spesso anche i limiti fisici di lavorazione delle macchine, quali per prima cosa la dimensione massima del chip ma anche della velocità di produzione (chip con alte prestazioni richiedono più superficie, quindi meno chip prodotti per unità di tempo, quindi per chip molto grandi vi è un limite massimo di produzione che può impattare il numero di chip vendibili).

Negli anni passati i vantaggi di densità e aumento delle frequenze dei nuovi PP ha permesso di fare balzi in avanti notevoli superiori di certo a quelle che erano le migliorie apportate dalle evoluzioni delle architetture nuove (con poche eccezioni, come abbiamo potuto vedere con Maxwell).

Con l’arrivo dei 28nm vi è stata una frenata nell’evoluzione dei processi produttivi più avanzati utili a costruire circuiti integrati di alta potenza, come le GPU, per varie ragioni che qui non tratteremo approfonditamente. In breve ci si è concentrati sui mercati in maggior espansione come quella degli smartphone e quindi gli (enormi) investimenti sono andati tutti nella costruzione di PP idonei alla costruzione di SoC (System on Chip) a bassa potenza destinati a questo mercato che è stato in rapidissima espansione tanto da causare una crisi nel mercato dei PC con i nuovi dispositivi mobile (smartphone e tablet) che spesso hanno preso il posto dei computer portatili e degli ingombranti desktop.

I 28nm sono quindi stati una grande anomalia nella messa a disposizione di nuovi PP: negli anni passati ve ne è stato uno nuovo ogni circa 12/18 mesi, massimo 24 mesi.
Qui una rapida lista dei processi produttivi a disposizione per realizzare chipset video negli ultimi 20 anni come esempio del rapido susseguirsi degli sviluppi tecnologici (fonte dimensione e data di rilascio delle schede AMD):
1996 500nm
1997 350nm
1998 250nm
2000 180nm
2001 150nm
2003 130nm
2004 110nm
2005 90nm
2006 80nm
2007 65nm
2008 55nm
2010 40nm
2012 28nm
2016 16nm/14nm

Ad ogni processo produttivo è praticamente sempre corrisposta una nuova generazione di chip video da parte di tutte le aziende che producevano questi dispositivi per trarre il maggior vantaggio possibile (con qualche eccezione per i 55nm ma solo per motivi di marketing, non certo tecnici).

L’arrivo dei 14nm di Samsung (poi licenziati a Global Foundries, abbreviata a GF, ovvero l’azienda che ha rilevato le vecchie fabbriche di AMD e che partecipa allo stesso consorzio per la ricerca di nuovi PP insieme a Samsung, ST e IBM) e degli analoghi 16nm di TMSC per circuiti ad alta potenza, sono quindi stati lungamente attesi non soltanto dagli appassionati che volevano finalmente un nuovo passo avanti delle prestazioni, ma anche dalle stesse aziende costruttrici di GPU che hanno dovuto rivedere più volte le loro roadmap per la mancanza di processi idonei a creare le nuove architetture così come erano state pensate in origine.

Per chi non fosse al corrente dei tempi di sviluppo di una nuova architettura, sappia che ci vogliono dai 3 ai 5 anni prima di vedere il prodotto finale realizzato per cui in questo lasso temporale tra quando si inizia la progettazione e quando si va in produzione possono succedere molte cose non prevedibili come per esempio la cancellazione di PP già in programma dalle fonderie (è il caso dei 20nm HP di TMSC con i quali Maxwell e GCN1.2 sarebbero dovuti essere realizzati nel 2014).

Possiamo comunque dire che non tutti i mali vengono per nuocere. L’investimento massiccio avvenuto sui SoC per smartphone ha permesso a Samsung di recuperare notevolmente il distacco che aveva rispetto a TMSC, finora unica licenziataria per la produzione delle GPU, ed entrambe di entrare nel mondo dei transistor FinFet, dove Intel era già entrata diversi anni prima. Oggi abbiamo quindi due fornitori di processi produttivi che possono essere usati per le GPU e tre distinte fabbriche (Global Foundries, Samsung e TMSC) e probabilmente anche in futuro le case produttrici di GPU avranno una maggior possibilità di scelta. Questo non può che fare del bene al mondo della tecnologia il cui avanzamento, come abbiamo appena avuto modo di descrivere, è basato essenzialmente sul miglioramento continuo dei processi produttivi; inoltre un passo falso di un processo produttivo avrà meno peso nel futuro sulla complessiva evoluzione del settore.

Dopo questo lungo preambolo che aveva lo scopo di chiarire l’importanza di disporre di PP nuovi per migliorare e il perché di questa lunga attesa per i 14/16nm, procederemo nei prossimi giorni a raccontare qualche fatto di cronaca e legarlo in una storia ancora incompleta, dagli esordi ad oggi, giorni in cui stiamo per avere le prime flebili notizie riguardo a Vega. A presto!

 

4 Commenti »

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  • # 1
    Nessuno
     scrive: 

    Un immenso grazie ad Alessio per aver voluto pubblicare l’articolo.

    Per il ritardo.. be’, fortuna che un racconto storico non scade come il pesce :D

  • # 2
    Francesco Baldacchini
     scrive: 

    mbè, oltre ai motivi di cui hai parlato, dai 28 ai 14 nm abbiamo un dimezzamento, cosa mai avvenuta nei salti da te elencati, quindi il tempo maggiore ci sta, anzi, considerando che più ci si avvicina al di sotto dei 10 e più i problemi aumentano arrivando prima o poi al limite fisico

  • # 3
    Cesare Di Mauro
     scrive: 

    Da 28 a 14nm non c’è un dimezzamento, ma una riduzione a un quarto, perché le superfici dei transistor hanno 2 dimensioni. ;)

    Finalmente un nuovo articolo su AD: non vedo l’ora di leggere gli altri!!!

  • # 4
    Nessuno
     scrive: 

    Be’, vedremo questa cosa del “dimezzamento”. L’articolo sui PP arriverà successivamente, se Alessio avrà voglia di pubblicarlo.
    Nonostante quanto detto ci sono voluti comunque oltre 4 anni per un PP nuovo, bello o brutto che sia, e per 4 anni ci siamo dovuti accontentare di quello vecchio.
    Se guardi la tabella là in alto che ti fa vedere la progressione precedente che si allunga con i 40nm e presenta una enorme pianura proprio con i 28nm.
    Non è che se da qui ai prossimi 10 anni non si sforna un PP nuovo e al decimo anno esce il 100 picometri allora è tutto a posto “perché ci sta”.

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