Mooreův zákon je oficiálně mrtvý a můžeme to vidět z první ruky s nedávným oznámením TSMC,
V prosinci, Informoval o tom Wikichip že 3nm proces TSMC nevykázal prakticky žádné zlepšení hustoty oproti předchozímu 5nm uzlu společnosti s ohledem na hustotu SRAM. Publikace položila jednu jednoduchou otázku: Byli jsme právě svědky smrti SRAM? Alespoň podle názoru Wikichip je „historické škálování oficiálně mrtvé“.
Tato myšlenka má obrovské důsledky pro celý technologický průmysl a její účinky budou pociťovány v počítačích a dalších zařízeních v nadcházejících letech. Možná se ale ptáte sami sebe, co to všechno znamená a zda by vás to mělo zajímat. Abychom pochopili, jak „smrt SRAM“ ovlivní PC a jak se s tím návrháři čipů vypořádají, musíme si promluvit o uzlech, Moorově zákonu a mezipaměti.
Moorův zákon postupně umíral a nyní náhle
Moorův zákon je měřítkem úspěchu v polovodičovém průmyslu a tvrdí, že novější čipy by měly mít dvojnásobný počet tranzistorů než čipy před dvěma lety. Intel, AMD a další návrháři čipů se chtějí ujistit, že budou držet krok s Moorovým zákonem, a neschopnost udržet krok znamená ztrátu technologické výhody oproti konkurenci.
Protože procesory mohou být jen tak velké, jediným spolehlivým způsobem, jak zvýšit počet tranzistorů, je zmenšit je a sbalit je dohromady hustěji. Uzel nebo proces je způsob, jakým výrobce polovodičů (také nazývaný továrny a slévárny) vyrábí čip; uzel je obvykle definován velikostí tranzistoru, takže čím menší, tím lepší. Upgrade na nejnovější výrobní proces byl vždy spolehlivým způsobem, jak zvýšit počet tranzistorů a výkon, a po desetiletí bylo toto odvětví schopno plnit všechna očekávání.
Bohužel Mooreův zákon už několik let umírá, zhruba od roku 2010, kdy průmysl dosáhl hranice 32nm. Když se pokusil jít dále, narazil na cihlovou zeď. Téměř každá továrna od TSMC přes Samsung až po GlobalFoundries se snažila vyvinout něco menšího než 32nm. Nakonec byly vyvinuty nové technologie, které umožnily pokrok znovu, ale tranzistory se již nezmenšují stejným způsobem jako dříve. Název uzlu již neodráží, jak malý tranzistor ve skutečnosti je, a nové procesy již nepřinášejí takové nárůsty hustoty, na jaké byly zvyklé.
Průmysl narazil na cihlovou zeď, když se v roce 2010 pokusil jít dále než 32nm.
Jak je to tedy s 3nm uzlem TSMC? V typickém procesoru jsou dva hlavní typy tranzistorů: ty pro logiku a ty pro SRAM nebo cache. Logiku bylo na chvíli snazší zmenšit než mezipaměť (mezipaměť je již opravdu hustá), ale je to poprvé, co jsme viděli, že slévárna jako TSMC ji v novém uzlu vůbec nezmenšila. V určitém okamžiku se očekává varianta 3nm s výrazně vyšší hustotou cache, ale TSMC určitě narazili na inflexní bod, kde je škálování velmi malé, a ostatní fabi se mohou setkat se stejným problém.
Problém ale není jen v tom, že nelze navýšit množství mezipaměti bez využití větší plochy. Procesory mohou být jen tak velké a jakýkoli prostor zabraný mezipamětí je prostor, který nelze použít pro logiku, nebo tranzistory, které vedou k přímému zvýšení výkonu. Procesory s více jádry a dalšími funkcemi zároveň potřebují více mezipaměti, aby se předešlo úzkým místům souvisejícím s pamětí. I když se hustota logiky s každým novým uzlem stále zvyšuje, nemusí to stačit na kompenzaci nedostatku škálování SRAM. To by mohla být smrtící rána pro Mooreův zákon.
Jak může průmysl vyřešit problém SRAM
Vysoce výkonné procesory musí splnit tři cíle: velikost je omezená, je vyžadována mezipaměť a nové uzly již nebudou velikost mezipaměti příliš zmenšovat, pokud vůbec. I když je možné zvýšit výkon pomocí architektonických vylepšení a vyšších taktů, přidání více tranzistorů bylo vždy nejjednodušší a nejkonzistentnější způsob, jak dosáhnout generačního zvýšení rychlosti. Aby bylo možné tuto výzvu překonat, je třeba změnit jeden z těchto základů.
Jak se ukazuje, na problém SRAM již existuje dokonale fungující řešení: čiplety. Je to technologie, kterou AMD používá od roku 2019 pro své desktopové a serverové CPU. Návrh čipu používá více kusů křemíku (nebo matric) a každá matrice má jednu nebo jen několik funkcí; některé mohou mít například jen jádra. To je v protikladu k monolitickému designu, kde je vše v jedné kostce.
Chiplety řeší problém velikosti a jsou klíčovou součástí toho, proč AMD dokázalo držet krok s Moorovým zákonem. Pamatujte, že Moorův zákon není o hustota, ale počet tranzistorů. S čipletovou technologií bylo AMD schopno vytvořit procesory s celkovou plochou matrice přes 1 000 mm2; vyrobit tento CPU v jedné kostce je pravděpodobně nemožné.
Jediná nejdůležitější věc, kterou AMD udělala, aby zmírnila problém s mezipamětí, je umístit mezipaměť na vlastní kostku. V-Cache uvnitř Ryzen 7 5800X3D a paměťové čipy v Řada RX 7000 jsou příkladem cache chipletů v akci. Je pravděpodobné, že AMD vidělo nápis na zdi, protože mezipaměť je již roky obtížné zmenšit a nyní, když lze mezipaměť oddělit od všeho ostatního, ponechává více místa pro větší čipy s více jádra. Hlavní matrice RX 7900 XTX má pouze asi 300 mm2, což znamená, že je zde spousta místa pro AMD, aby mohla vyrobit větší matrici, pokud chce.
Chiplety však nejsou jediným způsobem. Nedávno generální ředitel Nvidie vyhlásil smrt Moorova zákona. Samotná společnost spoléhá na svou technologii umělé inteligence, aby dosáhla vyššího výkonu, aniž by musela ustoupit od monolitického designu. Jeho nejnovější architektura Ada je teoreticky mnohonásobně rychlejší než Ampere minulé generace díky funkcím jako DLSS 3. V příštích letech však uvidíme, zda bude nutné zachovat Moorův zákon nebo zda nové technologie dokážou odrážet výkonnostní výhody přidání dalších tranzistorů, aniž by bylo nutné nějaké přidávat.