A Lei de Moore está oficialmente morta, e podemos ver isso em primeira mão com um anúncio recente da TSMC,
Em dezembro, Wikichip relatado que o processo de 3nm da TSMC não mostrou praticamente nenhuma melhoria na densidade em relação ao nó anterior de 5nm da empresa em relação à densidade de SRAM. A publicação fez uma pergunta simples: Acabamos de testemunhar a morte da SRAM? Pelo menos na opinião do Wikichip, “a escala histórica está oficialmente morta”.
Esta ideia tem enormes ramificações para toda a indústria tecnológica e os seus efeitos serão sentidos nos PCs e outros dispositivos nos próximos anos. Mas você pode estar se perguntando o que tudo isso significa e se deveria se importar. Para entender como a “morte da SRAM” afetará os PCs e como os projetistas de chips lidarão com isso, precisamos falar sobre nós, a Lei de Moore e cache.
A Lei de Moore estava morrendo gradualmente, e agora de repente
A Lei de Moore é a referência de sucesso da indústria de semicondutores e afirma que os chips mais novos deveriam ter o dobro de transistores do que os chips de dois anos atrás. Intel, AMD e outros projetistas de chips querem ter certeza de que estão acompanhando a Lei de Moore, e não conseguir acompanhar significa perder a vantagem tecnológica para os concorrentes.
Como os processadores só podem ser grandes, a única maneira confiável de aumentar a contagem de transistores é reduzi-los e agrupá-los de forma mais densa. Um nó ou processo é como um fabricante de semicondutores (também chamado de fábricas e fundições) fabrica um chip; um nó geralmente é definido pelo tamanho de um transistor, portanto, quanto menor, melhor. A atualização para o processo de fabricação mais recente sempre foi uma maneira confiável de aumentar a contagem e o desempenho dos transistores e, durante décadas, a indústria conseguiu atender a todas as expectativas.
Infelizmente, a Lei de Moore está morrendo há anos, desde cerca de 2010, quando a indústria atingiu a marca de 32 nm. Quando tentou ir mais longe, bateu em uma parede de tijolos. Quase todas as fábricas, da TSMC à Samsung e à GlobalFoundries, lutaram para desenvolver algo menor que 32nm. Eventualmente, foram desenvolvidas novas tecnologias que tornaram possível o progresso mais uma vez, mas os transistores não estão mais diminuindo como antes. O nome de um nó não reflete mais o quão pequeno o transistor realmente é, e novos processos não trazem mais os ganhos de densidade que costumavam trazer.
A indústria atingiu uma barreira quando tentou ir além da marca de 32 nm em 2010.
Então, o que há com o nó de 3 nm da TSMC? Bem, existem dois tipos principais de transistores em um processador típico: aqueles para lógica e aqueles para SRAM, ou cache. A lógica tem sido mais fácil de reduzir do que o cache por um tempo (o cache já é muito denso), mas esta é a primeira vez que vimos uma fundição como a TSMC falhar em reduzi-lo em um novo nó. Uma variante de 3nm com densidade de cache significativamente maior é esperada em algum momento, mas TSMC certamente atingiu um ponto de inflexão onde a escala é muito pequena, e outras fábricas podem encontrar o mesmo problema.
Mas o problema não é apenas não conseguir aumentar a quantidade de cache sem ocupar mais área. Os processadores só podem ser grandes e qualquer espaço ocupado pelo cache é um espaço que não pode ser usado para lógica ou para os transistores que levam a ganhos diretos de desempenho. Ao mesmo tempo, processadores com mais núcleos e outros recursos precisam de mais cache para evitar gargalos relacionados à memória. Embora a densidade da lógica continue a aumentar a cada novo nó, pode não ser suficiente para compensar a falta de escalonamento de SRAM. Este pode ser o golpe mortal para a Lei de Moore.
Como a indústria pode resolver o problema da SRAM
Há três objetivos que os processadores de alto desempenho precisam atingir: o tamanho é limitado, o cache é necessário e os novos nós não reduzirão mais o tamanho do cache, se é que o farão. Embora seja possível aumentar o desempenho através de melhorias arquitetônicas e velocidades de clock mais altas, adicionar mais transistores sempre foi a maneira mais fácil e consistente de obter um aumento na velocidade geracional. Para superar esse desafio, um desses fundamentos precisa mudar.
Acontece que já existe uma solução perfeitamente funcional para o problema da SRAM: chips. É a tecnologia que a AMD usa desde 2019 para suas CPUs de desktops e servidores. Um design de chiplet usa várias peças de silício (ou matrizes), e cada matriz tem uma ou apenas algumas funções; alguns podem ter apenas núcleos, por exemplo. Isto se opõe a um design monolítico onde tudo está em uma única matriz.
Os chips contornam a questão do tamanho e são uma parte fundamental do motivo pelo qual a AMD conseguiu acompanhar a Lei de Moore. Lembre-se, a Lei de Moore não trata densidade, mas contagem de transistores. Com a tecnologia de chips, a AMD conseguiu criar processadores com uma área total de matriz superior a 1.000 mm2; fabricar esta CPU em apenas um único molde é provavelmente impossível.
A coisa mais importante que a AMD fez para mitigar o problema do cache foi colocar o cache em seu próprio chip. O V-Cache dentro do Ryzen 7 5800X3D e os chips de memória no Série RX 7000 são um exemplo de chips de cache em ação. É provável que a AMD tenha percebido o que estava escrito na parede, já que o cache tem sido difícil de diminuir há anos, e agora que o cache pode ser particionado de todo o resto, resta mais espaço para chips maiores com mais núcleos. A matriz principal do RX 7900 XTX tem apenas cerca de 300 mm2, o que significa que há muito espaço para a AMD fabricar uma matriz maior, se quiser.
No entanto, os chips não são a única maneira. CEO da Nvidia recentemente proclamou a morte da Lei de Moore. A própria empresa conta com sua tecnologia de inteligência artificial para obter maior desempenho sem precisar se afastar de um design monolítico. Sua mais nova arquitetura Ada é teoricamente muitas vezes mais rápida que o Ampere da última geração, graças a recursos como DLSS 3. No entanto, veremos nos próximos anos se a Lei de Moore deve ser mantida viva ou se as novas tecnologias podem espelhar os benefícios de desempenho da adição de mais transistores sem realmente ter que adicionar nenhum.