Законът на Мур е официално мъртъв и можем да видим това от първа ръка с скорошно съобщение на TSMC,
През декември, Wikichip съобщи че 3nm процесът на TSMC не показа практически никакво подобрение в плътността спрямо предишния 5nm възел на компанията по отношение на плътността на SRAM. Изданието зададе един прост въпрос: Току-що ли станахме свидетели на смъртта на SRAM? Поне според мнението на Wikichip „историческото мащабиране е официално мъртво“.
Тази идея има огромни последици за цялата технологична индустрия и нейните ефекти ще се усещат в персонални компютри и други устройства през следващите години. Но може би се питате какво означава всичко това и дали трябва да ви пука. За да разберем как "смъртта на SRAM" ще се отрази на персоналните компютри и как дизайнерите на чипове ще се справят с това, трябва да говорим за възли, закон на Мур и кеш.
Законът на Мур умираше постепенно, а сега внезапно
Законът на Мур е еталонът за успех на полупроводниковата индустрия и твърди, че по-новите чипове трябва да имат два пъти повече транзистори от чиповете от преди две години. Intel, AMD и други дизайнери на чипове искат да се уверят, че са в крак със закона на Мур, а неуспехът да се справи означава загуба на технологичното предимство пред конкурентите.
Тъй като процесорите могат да бъдат само толкова големи, единственият надежден начин за увеличаване на броя на транзисторите е да ги свиете и да ги опаковате заедно по-плътно. Възел или процес е начинът, по който производител на полупроводници (наричан още фабрики и леярни) прави чип; възелът обикновено се определя от размера на транзистора, така че колкото по-малък е, толкова по-добре. Надграждането до най-новия производствен процес винаги е било надежден начин за увеличаване на броя на транзисторите и производителността и от десетилетия индустрията успява да отговори на всички очаквания.
За съжаление, законът на Мур умира от години, от около 2010 г., когато индустрията достигна границата от 32 nm. Когато се опита да отиде по-нататък, се удари в тухлена стена. Почти всяка фабрика от TSMC през Samsung до GlobalFoundries се бореше да разработи нещо по-малко от 32nm. В крайна сметка бяха разработени нови технологии, които отново направиха възможен напредък, но транзисторите вече не стават по-малки по същия начин, както преди. Името на възел вече не отразява колко малък всъщност е транзисторът и новите процеси вече не носят печалбите в плътността, както преди.
Индустрията се удари в тухлена стена, когато се опита да стигне по-далеч от марката от 32 n през 2010 г.
И така, какво става с 3nm възела на TSMC? Е, има два основни типа транзистори, които са в типичния процесор: тези за логиката и тези за SRAM или кеша. Логиката беше по-лесна за свиване от кеша за известно време (кешът вече е наистина плътен), но това е първият път, когато виждаме леярна като TSMC да не успява да го свие изобщо в нов възел. В даден момент се очаква вариант от 3nm със значително по-висока плътност на кеша, но TSMC със сигурност достига инфлексна точка, където мащабирането е много незначително и други фабрики могат да срещнат същото проблем.
Но проблемът не е само в това, че не можете да увеличите размера на кеша, без да използвате повече площ. Процесорите могат да бъдат толкова големи и всяко пространство, заето от кеша, е пространство, което не може да се използва за логика или транзистори, които водят до директни печалби в производителността. В същото време процесорите с повече ядра и други функции се нуждаят от повече кеш, за да избегнат затруднения, свързани с паметта. Въпреки че плътността на логиката продължава да се увеличава с всеки нов възел, тя може да не е достатъчна, за да компенсира липсата на SRAM мащабиране. Това може да е смъртоносният удар за закона на Мур.
Как индустрията може да реши проблема със SRAM
Има три цели, които високопроизводителните процесори трябва да покрият: размерът е ограничен, кешът е необходим и новите възли вече няма да намаляват размера на кеша много, ако изобщо. Въпреки че е възможно да се увеличи производителността чрез архитектурни подобрения и по-високи тактови честоти, добавяйки повече транзистори винаги е бил най-лесният и най-последователен начин за постигане на увеличение на скоростта за поколенията. За да се преодолее това предизвикателство, една от тези основи трябва да се промени.
Както се оказа, вече има перфектно работещо решение на проблема със SRAM: чиплети. Това е технологията, която AMD използва от 2019 г. за своите настолни и сървърни процесори. Дизайнът на чиплетите използва множество части от силиций (или матрици) и всяка матрица има една или само няколко функции; някои може просто да имат ядра например. Това е в противовес на монолитен дизайн, при който всичко е в една матрица.
Чиплетите заобикалят проблема с размера и те са ключова част за това защо AMD успява да се справи със закона на Мур. Не забравяйте, че законът на Мур не е за плътност, но брой транзистори. С чиплет технологията AMD успя да създаде процесори с обща площ на матрицата над 1000 mm2; производството на този CPU само в една матрица вероятно е невъзможно.
Единственото най-важно нещо, което AMD направи, за да смекчи проблема с кеша, е да постави кеша на своя собствена матрица. V-Cache в Ryzen 7 5800X3D и чиплетите на паметта в Серия RX 7000 са пример за кеш чиплети в действие. Вероятно AMD е видяла надписа на стената, тъй като кешът е трудно да се свие от години и сега, когато кешът може да бъде разделен от всичко останало, това оставя повече място за по-големи чипове с повече ядра. Основният матрица на RX 7900 XTX е само около 300 mm2, което означава, че има достатъчно място за AMD да направи по-голяма матрица, ако иска.
Chiplets обаче не са единственият начин. Наскоро главен изпълнителен директор на Nvidia провъзгласява смъртта на закона на Мур. Самата компания разчита на своята технология за изкуствен интелект, за да постигне по-висока производителност, без да е необходимо да се отдалечава от монолитния дизайн. Неговата най-нова архитектура Ada теоретично е многократно по-бърза от Ampere от последното поколение благодарение на функции като DLSS 3. Въпреки това, през следващите години ще видим дали законът на Мур трябва да се запази жив или дали новите технологии могат да отразяват предимствата на производителността от добавянето на повече транзистори, без всъщност да се налага да добавяме такива.