Mūra likums ir oficiāli miris, un mēs to varam redzēt ar neseno TSMC paziņojumu,
Decembrī, Wikichip ziņoja ka TSMC 3 nm process praktiski neuzrādīja blīvuma uzlabošanos salīdzinājumā ar uzņēmuma iepriekšējo 5 nm mezglu attiecībā uz SRAM blīvumu. Publikācija uzdeva vienu vienkāršu jautājumu: vai mēs tikko bijām liecinieki SRAM nāvei? Vismaz pēc Wikichip domām, "vēsturiskā mērogošana ir oficiāli mirusi".
Šai idejai ir milzīgas sekas visai tehnoloģiju nozarei, un tās sekas nākamajos gados būs jūtamas personālajos datoros un citās ierīcēs. Bet jūs, iespējams, jautājat sev, ko tas viss nozīmē un vai jums tas būtu jārūpējas. Lai saprastu, kā "SRAM nāve" ietekmēs personālos datorus un kā ar to tiks galā mikroshēmu dizaineri, mums ir jārunā par mezgliem, Mūra likumu un kešatmiņu.
Mūra likums pakāpeniski mira, un tagad pēkšņi
Mūra likums ir pusvadītāju nozares panākumu etalons un uzskata, ka jaunākās mikroshēmās jābūt divreiz lielākam tranzistoru daudzumam nekā mikroshēmās pirms diviem gadiem. Intel, AMD un citi mikroshēmu dizaineri vēlas būt pārliecināti, ka viņi ievēro Mūra likumu, un, ja netiek ievērots, konkurentiem tiek zaudētas tehnoloģiskās priekšrocības.
Tā kā procesori var būt tikai tik lieli, vienīgais uzticamais veids, kā palielināt tranzistoru skaitu, ir tos samazināt un blīvāk salikt kopā. Mezgls vai process ir veids, kā pusvadītāju ražotājs (saukts arī par ražotnēm un lietuvēm) izgatavo mikroshēmu; mezglu parasti nosaka tranzistora izmērs, tāpēc jo mazāks, jo labāk. Jaunināšana uz jaunāko ražošanas procesu vienmēr bija uzticams veids, kā palielināt tranzistoru skaitu un veiktspēju, un gadu desmitiem šī nozare ir spējusi apmierināt visas cerības.
Diemžēl Mūra likums jau gadiem ilgi ir miris, kopš aptuveni 2010. gada, kad nozare sasniedza 32 nm atzīmi. Mēģinot doties tālāk, tas atsitās pret ķieģeļu sienu. Gandrīz katrs uzņēmums, sākot no TSMC līdz Samsung un beidzot ar GlobalFoundries, cīnījās, lai izstrādātu kaut ko mazāku par 32 nm. Galu galā tika izstrādātas jaunas tehnoloģijas, kas atkal padarīja iespējamu progresu, taču tranzistori vairs nekļūst mazāki tāpat kā agrāk. Mezgla nosaukums vairs neatspoguļo, cik mazs patiesībā ir tranzistors, un jaunie procesi vairs nesniedz agrāko blīvuma pieaugumu.
Nozare iedūrās ķieģeļu sienā, kad 2010. gadā mēģināja pārsniegt 32 nm atzīmi.
Tātad, kas notiek ar TSMC 3 nm mezglu? Tipiskā procesorā ir divi galvenie tranzistoru veidi: tie, kas paredzēti loģikai, un tie, kas paredzēti SRAM vai kešatmiņai. Loģiku kādu laiku ir bijis vieglāk samazināt nekā kešatmiņu (kešatmiņa jau ir patiešām blīva), taču šī ir pirmā reize, kad mēs esam redzējuši, ka lietuvei, piemēram, TSMC, neizdodas to samazināt jaunā mezglā. Kādā brīdī ir gaidāms 3nm variants ar ievērojami lielāku kešatmiņas blīvumu, bet TSMC noteikti sasniedz lēciena punktu, kur mērogošana ir ļoti neliela, un citi elementi var saskarties ar to pašu problēma.
Taču problēma nav tikai tajā, ka nevar palielināt kešatmiņas apjomu, neizmantojot vairāk vietas. Procesori var būt tikai tik lieli, un jebkura vieta, ko aizņem kešatmiņa, ir vieta, ko nevar izmantot loģikai vai tranzistoriem, kas nodrošina tiešu veiktspējas pieaugumu. Tajā pašā laikā procesoriem ar vairāk kodolu un citām funkcijām ir nepieciešams vairāk kešatmiņas, lai izvairītos no ar atmiņu saistītām vājajām vietām. Lai gan loģikas blīvums turpina pieaugt ar katru jaunu mezglu, ar to var nepietikt, lai kompensētu SRAM mērogošanas trūkumu. Tas varētu būt nogalinošais trieciens Mūra likumam.
Kā nozare var atrisināt SRAM problēmu
Augstas veiktspējas procesoriem ir jāsasniedz trīs mērķi: izmērs ir ierobežots, ir nepieciešama kešatmiņa, un jauni mezgli vairs nesamazinās kešatmiņas lielumu, ja vispār nesamazināsies. Lai gan ir iespējams palielināt veiktspēju, izmantojot arhitektūras uzlabojumus un lielāku pulksteņa ātrumu, pievienojot vairāk tranzistoru vienmēr ir bijis vienkāršākais un konsekventākais veids, kā panākt paaudžu ātruma palielināšanu. Lai pārvarētu šo izaicinājumu, ir jāmaina viens no šiem pamatprincipiem.
Kā izrādās, SRAM problēmai jau ir ideāli darbojošs risinājums: mikroshēmas. Tā ir tehnoloģija, ko AMD ir izmantojusi kopš 2019. gada saviem galddatoru un serveru centrālajiem procesoriem. Mikroshēmu dizainā tiek izmantoti vairāki silīcija gabali (vai presformas), un katrai formai ir viena vai tikai dažas funkcijas; dažiem, piemēram, var būt tikai serdeņi. Tas ir pretrunā ar monolītu dizainu, kurā viss ir vienā veidnē.
Mikroshēmas novērš izmēru problēmu, un tās ir galvenā sastāvdaļa, kāpēc AMD ir spējusi sekot līdzi Mūra likumam. Atcerieties, ka Mūra likums nav par blīvums, bet tranzistoru skaits. Izmantojot mikroshēmu tehnoloģiju, AMD ir spējis izveidot procesorus ar kopējo veidņu laukumu virs 1000 mm2; iespējams, nav iespējams izgatavot šo centrālo procesoru tikai vienā formā.
Vissvarīgākā lieta, ko AMD ir paveikusi, lai mazinātu kešatmiņas problēmu, ir kešatmiņas ievietošana savā vietā. V-kešatmiņa Ryzen 7 5800X3D un atmiņas mikroshēmas RX 7000 sērija ir kešatmiņas mikroshēmu darbības piemērs. Visticamāk, ka AMD redzēja uzrakstu uz sienas, jo kešatmiņu jau gadiem ilgi ir bijis grūti samazināt un tagad, kad kešatmiņu var sadalīt no visa pārējā, tas atstāj vairāk vietas lielākiem mikroshēmām ar vairāk serdeņi. RX 7900 XTX galvenā matrica ir tikai aptuveni 300 mm2, kas nozīmē, ka AMD ir pietiekami daudz vietas, lai, ja tā vēlas, izgatavotu lielāku matricu.
Tomēr mikroshēmas nav vienīgais veids. Nesen Nvidia izpilddirektors pasludināja Mūra likuma nāvi. Uzņēmums pats paļaujas uz savu mākslīgā intelekta tehnoloģiju, lai sasniegtu lielāku veiktspēju, neatkāpjoties no monolīta dizaina. Tā jaunākā Ada arhitektūra teorētiski ir daudzkārt ātrāka nekā pēdējās paaudzes Ampere, pateicoties tādām funkcijām kā DLSS 3. Tomēr nākamajos gados mēs redzēsim, vai Mūra likums ir jāpatur spēkā vai jaunās tehnoloģijas var atspoguļot veiktspējas priekšrocības, pievienojot vairāk tranzistoru, faktiski nepievienojot nevienu.