Πώς ο θάνατος του SRAM θα ​​επηρεάσει το μέλλον των υπολογιστών

Τον Δεκεμβριο, Το Wikichip ανέφερε ότι η διαδικασία των 3nm της TSMC δεν έδειξε ουσιαστικά καμία βελτίωση στην πυκνότητα σε σχέση με τον προηγούμενο κόμβο 5nm της εταιρείας σε σχέση με την πυκνότητα SRAM. Η δημοσίευση έθεσε μια απλή ερώτηση: Γίναμε μόλις μάρτυρες του θανάτου του SRAM; Τουλάχιστον κατά τη γνώμη του Wikichip, «η ιστορική κλιμάκωση είναι επίσημα νεκρή».

Αυτή η ιδέα έχει τεράστιες προεκτάσεις για ολόκληρη τη βιομηχανία της τεχνολογίας και τα αποτελέσματά της θα γίνουν αισθητά σε υπολογιστές και άλλες συσκευές για τα επόμενα χρόνια. Αλλά μπορεί να αναρωτιέστε τι σημαίνουν όλα αυτά και αν πρέπει να σας ενδιαφέρει. Για να κατανοήσουμε πώς ο «θάνατος του SRAM» θα επηρεάσει τους υπολογιστές και πώς θα το αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές τσιπ, πρέπει να μιλήσουμε για τους κόμβους, το νόμο του Moore και την κρυφή μνήμη.

Ο νόμος του Μουρ πέθαινε σταδιακά, και τώρα ξαφνικά

Ο νόμος του Moore είναι το σημείο αναφοράς για την επιτυχία της βιομηχανίας ημιαγωγών και υποστηρίζει ότι τα νεότερα τσιπ θα πρέπει να έχουν διπλάσια ποσότητα τρανζίστορ από τα τσιπ πριν από δύο χρόνια. Η Intel, η AMD και άλλοι σχεδιαστές τσιπ θέλουν να βεβαιωθούν ότι συμβαδίζουν με το νόμο του Moore και η αποτυχία να συμβαδίσει σημαίνει ότι χάνεται το τεχνολογικό πλεονέκτημα για τους ανταγωνιστές.

Δεδομένου ότι οι επεξεργαστές μπορούν να είναι μόνο τόσο μεγάλοι, ο μόνος αξιόπιστος τρόπος για να αυξήσετε τον αριθμό των τρανζίστορ είναι να συρρικνωθούν και να συσκευαστούν πιο πυκνά μεταξύ τους. Ένας κόμβος ή μια διαδικασία είναι ο τρόπος με τον οποίο ένας κατασκευαστής ημιαγωγών (ονομάζονται επίσης fabs και χυτήρια) κατασκευάζει ένα τσιπ. ένας κόμβος συνήθως ορίζεται από το μέγεθος ενός τρανζίστορ, οπότε όσο μικρότερος τόσο το καλύτερο. Η αναβάθμιση στην πιο πρόσφατη διαδικασία κατασκευής ήταν πάντα ένας αξιόπιστος τρόπος για την αύξηση του αριθμού και της απόδοσης των τρανζίστορ και για δεκαετίες, η βιομηχανία ήταν σε θέση να ανταποκριθεί σε όλες τις προσδοκίες.

Δυστυχώς, ο νόμος του Μουρ έχει πεθάνει εδώ και χρόνια, από το 2010 περίπου, όταν η βιομηχανία έφτασε στα 32 nm. Όταν προσπάθησε να πάει παραπέρα, χτύπησε σε έναν τοίχο από τούβλα. Σχεδόν κάθε fab από το TSMC έως τη Samsung και το GlobalFoundries δυσκολεύτηκε να αναπτύξει οτιδήποτε μικρότερο από 32nm. Τελικά, αναπτύχθηκαν νέες τεχνολογίες που κατέστησαν δυνατή την πρόοδο για άλλη μια φορά, αλλά τα τρανζίστορ δεν γίνονται πλέον μικρότερα με τον ίδιο τρόπο που συνήθιζαν. Το όνομα ενός κόμβου δεν αντικατοπτρίζει πλέον πόσο μικρό είναι στην πραγματικότητα το τρανζίστορ και οι νέες διεργασίες δεν φέρνουν πλέον τα κέρδη πυκνότητας που συνήθιζαν.

Η βιομηχανία χτύπησε έναν τοίχο από τούβλα όταν προσπάθησε να προχωρήσει περισσότερο από το όριο των 32 nm το 2010.

Τι συμβαίνει λοιπόν με τον κόμβο 3nm της TSMC; Λοιπόν, υπάρχουν δύο κύριοι τύποι τρανζίστορ που βρίσκονται σε έναν τυπικό επεξεργαστή: αυτά για λογική και αυτά για SRAM, ή κρυφή μνήμη. Η λογική ήταν πιο εύκολο να συρρικνωθεί από την προσωρινή μνήμη για λίγο (η κρυφή μνήμη είναι ήδη πολύ πυκνή), αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που βλέπουμε ένα χυτήριο όπως το TSMC να αποτυγχάνει να το συρρικνώσει καθόλου σε έναν νέο κόμβο. Μια παραλλαγή των 3nm με σημαντικά μεγαλύτερη πυκνότητα cache αναμένεται κάποια στιγμή, αλλά TSMC σίγουρα χτύπησε ένα σημείο καμπής όπου η κλιμάκωση είναι πολύ μικρή και άλλα fabs μπορεί να συναντήσουν το ίδιο πρόβλημα.

Αλλά το πρόβλημα δεν είναι μόνο ότι δεν μπορείτε να αυξήσετε την ποσότητα της προσωρινής μνήμης χωρίς να χρησιμοποιήσετε περισσότερη περιοχή. Οι επεξεργαστές μπορούν να είναι μόνο τόσο μεγάλοι και οποιοσδήποτε χώρος καταλαμβάνεται από την κρυφή μνήμη είναι χώρος που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λογική, ή τα τρανζίστορ που οδηγούν σε άμεσα κέρδη απόδοσης. Ταυτόχρονα, οι επεξεργαστές με περισσότερους πυρήνες και άλλα χαρακτηριστικά χρειάζονται περισσότερη κρυφή μνήμη για να αποφύγουν τα σημεία συμφόρησης που σχετίζονται με τη μνήμη. Παρόλο που η πυκνότητα της λογικής συνεχίζει να αυξάνεται με κάθε νέο κόμβο, μπορεί να μην είναι αρκετή για να αντισταθμίσει την έλλειψη κλιμάκωσης SRAM. Αυτό μπορεί να είναι το θανατηφόρο πλήγμα για τον Νόμο του Μουρ.

Πώς η βιομηχανία μπορεί να λύσει το πρόβλημα SRAM

Υπάρχουν τρεις στόχοι που πρέπει να επιτύχουν οι επεξεργαστές υψηλής απόδοσης: το μέγεθος είναι περιορισμένο, η προσωρινή μνήμη απαιτείται και οι νέοι κόμβοι δεν θα μειώνουν πλέον το μέγεθος της κρυφής μνήμης πολύ ή καθόλου. Ενώ είναι δυνατό να αυξήσετε την απόδοση μέσω αρχιτεκτονικών βελτιώσεων και υψηλότερων ταχυτήτων ρολογιού, προσθέτοντας περισσότερα τρανζίστορ ήταν πάντα ο ευκολότερος και πιο συνεπής τρόπος για να επιτευχθεί αύξηση της ταχύτητας των γενεών. Για να ξεπεραστεί αυτή η πρόκληση, ένα από αυτά τα θεμελιώδη πρέπει να αλλάξει.

Όπως αποδεικνύεται, υπάρχει ήδη μια τέλεια λειτουργική λύση στο πρόβλημα SRAM: chiplets. Είναι η τεχνολογία που χρησιμοποιεί η AMD από το 2019 για τους επιτραπέζιους υπολογιστές και τους διακομιστές της. Ένας σχεδιασμός chiplet χρησιμοποιεί πολλά κομμάτια πυριτίου (ή μήτρες) και κάθε καλούπι έχει μία ή λίγες μόνο λειτουργίες. μερικοί μπορεί να έχουν απλώς πυρήνες για παράδειγμα. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με ένα μονολιθικό σχέδιο όπου τα πάντα βρίσκονται σε ένα μόνο καλούπι.

Τα τσιπετάκια ξεπερνούν το ζήτημα του μεγέθους και αποτελούν βασικό στοιχείο για το γιατί η AMD μπόρεσε να συμβαδίσει με τον νόμο του Moore. Θυμηθείτε, ο νόμος του Μουρ δεν αφορά πυκνότητα, αλλά αριθμός τρανζίστορ. Με την τεχνολογία chiplet, η AMD μπόρεσε να δημιουργήσει επεξεργαστές με συνολική επιφάνεια καλουπιών άνω των 1.000 mm2. Η κατασκευή αυτής της CPU σε ένα μόνο καλούπι είναι πιθανώς αδύνατη.

Το μόνο πιο σημαντικό πράγμα που έχει κάνει η AMD που μετριάζει το πρόβλημα της προσωρινής μνήμης είναι να τοποθετήσει την προσωρινή μνήμη στο δικό της καλούπι. Το V-Cache μέσα στο Ryzen 7 5800X3D και τα chiplet μνήμης στο Σειρά RX 7000 είναι ένα παράδειγμα τσιπλετ κρυφής μνήμης σε δράση. Είναι πιθανό ότι η AMD είδε την γραφή στον τοίχο, καθώς η προσωρινή μνήμη είναι δύσκολο να συρρικνωθεί εδώ και χρόνια, και Τώρα που η προσωρινή μνήμη μπορεί να χωριστεί από οτιδήποτε άλλο, αφήνει περισσότερο χώρο για μεγαλύτερα chiplet με περισσότερα πυρήνες. Η κύρια μήτρα του RX 7900 XTX είναι μόνο περίπου 300 mm2, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει αρκετός χώρος για την AMD να φτιάξει ένα μεγαλύτερο καλούπι αν θέλει.

Ωστόσο, τα τσιπετάκια δεν είναι ο μόνος τρόπος. Πρόσφατα ο Διευθύνων Σύμβουλος της Nvidia κήρυξε τον θάνατο του νόμου του Μουρ. Η ίδια η εταιρεία βασίζεται στην τεχνολογία τεχνητής νοημοσύνης της για να επιτύχει μεγαλύτερη απόδοση χωρίς να χρειάζεται να απομακρυνθεί από έναν μονολιθικό σχεδιασμό. Η πιο πρόσφατη αρχιτεκτονική του Ada είναι θεωρητικά πολλές φορές πιο γρήγορη από το Ampere της προηγούμενης γενιάς χάρη σε χαρακτηριστικά όπως το DLSS 3. Ωστόσο, θα δούμε τα επόμενα χρόνια εάν ο νόμος του Moore πρέπει να διατηρηθεί ζωντανός ή εάν οι νέες τεχνολογίες μπορούν να αντικατοπτρίζουν τα οφέλη απόδοσης από την προσθήκη περισσότερων τρανζίστορ χωρίς στην πραγματικότητα να χρειάζεται να προσθέσετε κανένα.