Kako će smrt SRAM-a utjecati na budućnost računala

U prosincu, Izvijestio je Wikichip da TSMC-ov 3nm proces nije pokazao praktički nikakav napredak u gustoći u odnosu na prethodni 5nm čvor tvrtke s obzirom na gustoću SRAM-a. Publikacija je postavila jedno jednostavno pitanje: Jesmo li upravo svjedočili smrti SRAM-a? Barem prema mišljenju Wikichipa, "povijesno skaliranje je službeno mrtvo".

Ova ideja ima goleme posljedice za cijelu tehnološku industriju, a njezini će se učinci osjećati na računalima i drugim uređajima godinama koje dolaze. Ali možda se pitate što sve to znači i treba li vas biti briga. Da bismo razumjeli kako će "smrt SRAM-a" utjecati na računala i kako će se dizajneri čipova nositi s tim, moramo razgovarati o čvorovima, Mooreovom zakonu i predmemorije.

Mooreov zakon umirao je postupno, a sada iznenada

Mooreov zakon mjerilo je uspjeha industrije poluvodiča i smatra da bi noviji čipovi trebali imati dvostruko više tranzistora od čipova od prije dvije godine. Intel, AMD i drugi dizajneri čipova žele biti sigurni da drže korak s Mooreovim zakonom, a neuspjeh u tome znači gubitak tehnološke prednosti u odnosu na konkurente.

Budući da procesori mogu biti samo toliko veliki, jedini pouzdani način za povećanje broja tranzistora je njihovo smanjenje i gušće pakiranje. Čvor ili proces je način na koji proizvođač poluvodiča (koji se nazivaju i tvornice i ljevaonice) izrađuje čip; čvor je obično definiran veličinom tranzistora, pa što manji to bolje. Nadogradnja na najnoviji proizvodni proces uvijek je bio pouzdan način za povećanje broja tranzistora i performansi, a industrija je desetljećima uspjela ispuniti sva očekivanja.

Nažalost, Mooreov zakon umire već godinama, od otprilike 2010. kada je industrija dosegla granicu od 32 nm. Kada je pokušao proći dalje, udario je u zid od opeke. Gotovo svaka tvornica od TSMC-a preko Samsunga do GlobalFoundriesa borila se da razvije nešto manje od 32nm. Na kraju su se razvile nove tehnologije koje su ponovno omogućile napredak, ali tranzistori se više ne smanjuju na isti način kao prije. Naziv čvora više ne odražava koliko je tranzistor zapravo mali, a novi procesi više ne donose povećanje gustoće kao prije.

Industrija je naišla na zid kada je 2010. pokušala otići dalje od granice od 32 nm.

Dakle, što je s TSMC-ovim 3nm čvorom? Pa, postoje dvije glavne vrste tranzistora koji se nalaze u tipičnom procesoru: oni za logiku i oni za SRAM ili predmemoriju. Logiku je neko vrijeme bilo lakše smanjiti nego predmemoriju (predmemorija je već stvarno gusta), ali ovo je prvi put da smo vidjeli ljevaonicu poput TSMC-a da je uopće ne uspijeva smanjiti u novom čvoru. Varijanta od 3nm sa značajno većom gustoćom predmemorije očekuje se u nekom trenutku, ali TSMC sigurno doći do točke infleksije gdje je skaliranje vrlo malo, a druge tvornice mogu se susresti s istim problem.

Ali problem nije samo u tome što ne možete povećati količinu predmemorije bez korištenja većeg područja. Procesori mogu biti samo toliko veliki, a svaki prostor koji zauzima predmemorija je prostor koji se ne može koristiti za logiku ili tranzistore koji dovode do izravnih poboljšanja performansi. U isto vrijeme, procesori s više jezgri i drugim značajkama trebaju više predmemorije kako bi izbjegli uska grla povezana s memorijom. Iako se gustoća logike nastavlja povećavati sa svakim novim čvorom, možda neće biti dovoljna da nadoknadi nedostatak SRAM skaliranja. Ovo bi mogao biti smrtonosni udarac za Mooreov zakon.

Kako industrija može riješiti problem SRAM-a

Postoje tri cilja koje procesori visokih performansi trebaju ispuniti: veličina je ograničena, potrebna je predmemorija, a novi čvorovi više neće smanjiti veličinu predmemorije puno ili uopće. Iako je moguće povećati performanse kroz arhitektonska poboljšanja i veće brzine takta, dodavanjem više tranzistora uvijek je bio najlakši i najdosljedniji način za postizanje generacijskog povećanja brzine. Kako bi se prevladao ovaj izazov, potrebno je promijeniti jednu od ovih osnova.

Kako se pokazalo, već postoji savršeno radno rješenje za problem SRAM-a: čipleti. To je tehnologija koju AMD koristi od 2019. za svoje stolne i poslužiteljske procesore. Dizajn čipleta koristi više komada silicija (ili matrica), a svaki matrica ima jednu ili samo nekoliko funkcija; neki bi mogli imati samo jezgre na primjer. Ovo je u suprotnosti s monolitnim dizajnom gdje je sve u jednoj matrici.

Chipleti zaobilaze problem veličine i oni su ključni dio zašto je AMD uspio držati korak s Mooreovim zakonom. Upamtite, Mooreov zakon nije o gustoća, ali broj tranzistora. S chiplet tehnologijom, AMD je uspio stvoriti procesore s ukupnom površinom od preko 1000 mm2; proizvodnja ovog CPU-a u samo jednoj matrici vjerojatno je nemoguća.

Jedina najvažnija stvar koju je AMD učinio da ublaži problem predmemorije je postavljanje predmemorije na vlastitu matricu. V-Cache unutar Ryzen 7 5800X3D i memorijski čipleti u Serija RX 7000 su primjer čipleta predmemorije na djelu. Vjerojatno je AMD vidio natpis na zidu jer je predmemoriju već godinama teško smanjiti, a sada kada se predmemorija može odvojiti od svega ostalog, ostavlja više prostora za veće čiplete s više jezgre. Glavna matrica RX 7900 XTX ima samo oko 300 mm2, što znači da AMD ima dovoljno prostora za izradu veće matrice ako želi.

Chiplets ipak nisu jedini način. Nedavno CEO Nvidije proglasio smrt Mooreova zakona. Sama tvrtka oslanja se na svoju tehnologiju umjetne inteligencije kako bi postigla veće performanse bez potrebe za odmicanjem od monolitnog dizajna. Njegova najnovija Ada arhitektura teoretski je mnogo puta brža od Amperea prošle generacije zahvaljujući značajkama kao što je DLSS 3. Međutim, vidjet ćemo u nadolazećim godinama hoće li se Mooreov zakon morati održati na životu ili će nove tehnologije moći odražavati prednosti dodavanja više tranzistora bez potrebe za dodavanjem ijednog.