כיצד מותו של SRAM ישפיע על עתיד המחשבים האישיים

בדצמבר, דיווח ויקיצ'יפ שתהליך ה-3 ננומטר של TSMC לא הראה כמעט שיפור בצפיפות בהשוואה לצומת ה-5 ננומטר הקודם של החברה ביחס לצפיפות SRAM. הפרסום שאל שאלה אחת פשוטה: האם היינו עדים למותו של SRAM? לפחות לדעתו של ויקיצ'יפ, "קנה המידה ההיסטורי מת רשמית".

לרעיון הזה יש השלכות עצומות על תעשיית הטכנולוגיה כולה, והשפעותיו יורגשו במחשבים אישיים ובמכשירים אחרים במשך שנים רבות. אבל אולי אתם שואלים את עצמכם מה כל זה אומר והאם כדאי לכם לדאוג. על מנת להבין כיצד "מות ה-SRAM" ישפיע על המחשבים האישיים וכיצד יתמודדו עם זה מעצבי שבבים, עלינו לדבר על צמתים, חוק מור ומטמון.

חוק מור גווע בהדרגה, ועכשיו פתאום

חוק מור הוא אמת המידה של תעשיית המוליכים למחצה להצלחה, והוא גורס שלשבבים חדשים יותר צריכים להיות פי שניים של טרנזיסטורים מאשר שבבים מלפני שנתיים. אינטל, AMD ומעצבי שבבים אחרים רוצים לוודא שהם עומדים בקצב של חוק מור, וכי אי עמידה בקצב פירושו לאבד את היתרון הטכנולוגי למתחרים.

מכיוון שמעבדים יכולים להיות רק כל כך גדולים, הדרך האמינה היחידה להגדיל את ספירת הטרנזיסטורים היא לכווץ אותם ולארוז אותם בצפיפות רבה יותר. צומת או תהליך הם האופן שבו יצרן מוליכים למחצה (הנקראים גם fabs ויציקות) מייצר שבב; צומת מוגדר בדרך כלל על ידי גודלו של טרנזיסטור, כך שככל שהוא קטן יותר טוב יותר. שדרוג לתהליך הייצור האחרון היה תמיד דרך אמינה להגדיל את ספירת הטרנזיסטורים והביצועים, ובמשך עשרות שנים, התעשייה הצליחה לעמוד בכל הציפיות.

למרבה הצער, חוק מור גווע כבר שנים, מאז 2010 בערך כשהתעשייה הגיעה לרף 32 ננומטר. כשהוא ניסה להתקדם יותר, הוא פגע בקיר לבנים. כמעט כל מותג מ-TSMC ועד סמסונג ועד GlobalFoundries התקשו לפתח משהו קטן מ-32 ננומטר. בסופו של דבר פותחו טכנולוגיות חדשות שאפשרו את ההתקדמות פעם נוספת, אבל הטרנזיסטורים כבר לא הולכים וקטנים באותה צורה שהיו פעם. שמו של צומת כבר לא משקף כמה קטן הטרנזיסטור בעצם, ותהליכים חדשים כבר לא מביאים את רווחי הצפיפות שהיו להם פעם.

התעשייה פגעה בקיר לבנים כשניסתה להגיע רחוק יותר מ-32 ננומטר ב-2010.

אז מה קורה עם הצומת 3nm של TSMC? ובכן, ישנם שני סוגים עיקריים של טרנזיסטורים שנמצאים במעבד טיפוסי: אלו ללוגיקה ואלו ל-SRAM, או מטמון. ההיגיון היה קל יותר לכווץ ממטמון במשך זמן מה (המטמון כבר ממש צפוף), אבל זו הפעם הראשונה שראינו בית יציקה כמו TSMC לא מצליח לכווץ אותו בכלל בצומת חדש. וריאנט של 3nm עם צפיפות מטמון גבוהה משמעותית צפוי בשלב מסוים, אבל TSMC בהחלט הגיע לנקודת נטייה שבה קנה המידה הוא מינורי מאוד, ופלאבים אחרים עשויים להיתקל באותו בְּעָיָה.

אבל הבעיה היא לא רק בחוסר היכולת להגדיל את כמות המטמון מבלי לנצל יותר שטח. מעבדים יכולים להיות רק כל כך גדולים, וכל מקום שתופס על ידי מטמון הוא מקום שלא ניתן להשתמש בו ללוגיקה, או הטרנזיסטורים שמובילים לשיפורי ביצועים ישירים. יחד עם זאת, מעבדים עם יותר ליבות ותכונות אחרות זקוקים ליותר מטמון כדי למנוע צווארי בקבוק הקשורים לזיכרון. למרות שצפיפות ההיגיון ממשיכה לעלות עם כל צומת חדש, ייתכן שזה לא יספיק כדי לפצות על היעדר קנה המידה של SRAM. זו עשויה להיות מכת ההרג של חוק מור.

כיצד התעשייה יכולה לפתור את בעיית ה-SRAM

ישנן שלוש מטרות שמעבדים בעלי ביצועים גבוהים צריכים לעמוד בהם: הגודל מוגבל, המטמון נדרש, וצמתים חדשים כבר לא יפחיתו את גודל המטמון במידה רבה אם בכלל. אמנם ניתן להגביר את הביצועים באמצעות שיפורים ארכיטקטוניים ומהירויות שעון גבוהות יותר, הוספה טרנזיסטורים נוספים הייתה תמיד הדרך הקלה והעקבית ביותר להשיג הגברת מהירות דורית. כדי להתגבר על האתגר הזה, אחד מהיסודות הללו צריך להשתנות.

כפי שמתברר, יש כבר פתרון עובד מושלם לבעיית ה-SRAM: שבבים. זוהי הטכנולוגיה ש-AMD משתמשת בה מאז 2019 עבור מעבדי שולחן העבודה והשרתים שלה. עיצוב שבבי משתמש במספר חתיכות סיליקון (או קוביות), ולכל קובייה יש פונקציה אחת או רק כמה פונקציות; לחלק אולי יש רק ליבות למשל. זה בניגוד לעיצוב מונוליטי שבו הכל נמצא בקוביה אחת.

צ'יפלטים עוקפים את בעיית הגודל, והם מהווים חלק מרכזי מדוע AMD הצליחה לעמוד בקצב של חוק מור. זכור, חוק מור לא עוסק צְפִיפוּת, אבל ספירת טרנזיסטורים. עם טכנולוגיית שבבים, AMD הצליחה ליצור מעבדים עם שטח קוביות כולל של למעלה מ-1,000 מ"מ; ייצור המעבד הזה בקובייה אחת בלבד הוא כנראה בלתי אפשרי.

הדבר החשוב ביותר ש-AMD עשתה שמקל על בעיית המטמון הוא לשים את המטמון על הקוביה שלו. ה-V-Cache בתוך Ryzen 7 5800X3D ושבבי הזיכרון ב- סדרת RX 7000 הם דוגמה ל-Cache chiplets בפעולה. סביר להניח ש-AMD ראתה את הכתובת על הקיר מכיוון שקשה היה לכווץ את המטמון כבר שנים, ו כעת, כאשר ניתן לחלק את המטמון מכל השאר, הוא משאיר יותר מקום עבור צ'יפלטים גדולים יותר עם יותר ליבות. התבנית הראשית של ה-RX 7900 XTX היא רק כ-300 מ"מ, מה שאומר שיש הרבה מקום ל-AMD לייצר קובייה גדולה יותר אם היא תרצה.

צ'יפלטים הם לא הדרך היחידה. מנכ"ל Nvidia לאחרונה הכריז על מותו של חוק מור. החברה עצמה מסתמכת על טכנולוגיית הבינה המלאכותית שלה כדי להשיג ביצועים טובים יותר מבלי שתצטרך להתרחק מעיצוב מונוליטי. ארכיטקטורת Ada החדשה ביותר שלה מהירה תיאורטית פי כמה מהאמפר של הדור האחרון הודות לתכונות כמו DLSS 3. עם זאת, נראה בשנים הקרובות אם יש לשמור על חוק מור בחיים או שטכנולוגיות חדשות יכולות לשקף את יתרונות הביצועים של הוספת טרנזיסטורים נוספים מבלי צורך להוסיף טרנזיסטורים.