Закон Мура официально мертв, и мы можем убедиться в этом воочию из недавнего заявления TSMC:
В декабре, Викичип сообщил что 3-нм техпроцесс TSMC практически не показал улучшения плотности по сравнению с предыдущим 5-нм узлом компании в отношении плотности SRAM. Издание задало один простой вопрос: мы только что стали свидетелями смерти SRAM? По крайней мере, по мнению Wikichip, «историческое масштабирование официально мертво».
Эта идея имеет огромные последствия для всей технологической отрасли, и ее последствия будут ощущаться в ПК и других устройствах еще долгие годы. Но вы можете спросить себя, что все это значит и стоит ли вам беспокоиться. Чтобы понять, как «смерть SRAM» повлияет на ПК и как с этим справятся разработчики чипов, нам нужно поговорить об узлах, законе Мура и кэше.
Закон Мура постепенно умирал, а теперь вдруг
Закон Мура является эталоном успеха в полупроводниковой промышленности и гласит, что новые чипы должны иметь вдвое больше транзисторов, чем чипы, выпущенные два года назад. Intel, AMD и другие разработчики чипов хотят убедиться, что они идут в ногу с законом Мура, а несоблюдение этого требования означает потерю технологического преимущества перед конкурентами.
Поскольку процессоры могут быть ограничены по размеру, единственный надежный способ увеличить количество транзисторов — это уменьшить их и упаковать более плотно. Узел или процесс — это то, как производитель полупроводников (также называемый заводом или литейным цехом) производит чип; узел обычно определяется размером транзистора, поэтому чем меньше, тем лучше. Переход на новейший производственный процесс всегда был надежным способом увеличения количества и производительности транзисторов, и на протяжении десятилетий отрасль могла оправдать все ожидания.
К сожалению, закон Мура умирает уже много лет, примерно с 2010 года, когда отрасль достигла отметки в 32 нм. Когда он попытался пройти дальше, то ударился о кирпичную стену. Почти каждая фабрика, от TSMC до Samsung и GlobalFoundries, изо всех сил пыталась разработать что-то меньшее, чем 32 нм. В конце концов были разработаны новые технологии, которые снова сделали прогресс возможным, но транзисторы больше не становятся меньше, как раньше. Название узла больше не отражает того, насколько мал на самом деле транзистор, а новые процессы больше не приносят того увеличения плотности, к которому они привыкли.
Отрасль столкнулась с кирпичной стеной, когда в 2010 году попыталась выйти за отметку в 32 нм.
Так что же случилось с 3-нм узлом TSMC? Итак, в типичном процессоре есть два основных типа транзисторов: для логики и для SRAM или кэша. Некоторое время логику было легче сжать, чем кеш (кэш уже очень плотный), но мы впервые видим, что такая мастерская, как TSMC, вообще не может сжать ее на новом узле. В какой-то момент ожидается вариант 3 нм со значительно более высокой плотностью кэша, но TSMC определенно наступил переломный момент, когда масштабирование очень незначительное, и другие фабрики могут столкнуться с тем же проблема.
Но проблема не только в том, что невозможно увеличить объем кэша, не занимая при этом больше места. Процессоры могут быть ограничены по размеру, а любое пространство, занимаемое кэшем, не может быть использовано для логики или транзисторов, которые приводят к прямому увеличению производительности. В то же время процессорам с большим количеством ядер и другими функциями требуется больше кэш-памяти, чтобы избежать узких мест, связанных с памятью. Несмотря на то, что плотность логики продолжает увеличиваться с каждым новым узлом, этого может быть недостаточно, чтобы компенсировать отсутствие масштабирования SRAM. Это может стать смертельным ударом по закону Мура.
Как отрасль может решить проблему SRAM
Есть три цели, которым должны соответствовать высокопроизводительные процессоры: размер кэша ограничен, требуется кэш, а новые узлы больше не будут сильно уменьшать размер кэша, если вообще будут уменьшать его. Хотя можно повысить производительность за счет архитектурных улучшений и более высоких тактовых частот, добавив Увеличение количества транзисторов всегда было самым простым и наиболее последовательным способом добиться повышения скорости поколений. Чтобы преодолеть эту проблему, необходимо изменить одну из этих основ.
Как оказалось, уже есть прекрасно работающее решение проблемы SRAM: чиплеты. Эту технологию AMD использует с 2019 года для своих настольных и серверных процессоров. В конструкции чиплета используется несколько частей кремния (или кристаллов), и каждый кристалл выполняет одну или несколько функций; например, у некоторых могут быть просто ядра. Это противоречит монолитной конструкции, где все находится в одном кристалле.
Чиплеты решают проблему размера, и они играют ключевую роль в том, почему AMD смогла не отставать от закона Мура. Помните, закон Мура не касается плотность, но количество транзисторов. Благодаря технологии чиплетов AMD смогла создать процессоры с общей площадью кристалла более 1000 мм2; Производство этого процессора на одном кристалле, вероятно, невозможно.
Единственное, что AMD сделала для решения проблемы кэша, — это разместила кэш на отдельном кристалле. V-Cache внутри Ryzen 7 5800X3D и чипсеты памяти в серия RX 7000 являются примером чиплетов кэша в действии. Вполне вероятно, что AMD увидела надпись на стене, поскольку кэш уже много лет трудно уменьшить, и теперь, когда кэш можно отделить от всего остального, остается больше места для более крупных чиплетов с большим количеством ядра. Площадь основного кристалла RX 7900 XTX составляет всего около 300 мм², что означает, что у AMD достаточно места, чтобы при желании изготовить кристалл большего размера.
Однако чиплеты — не единственный способ. Генеральный директор Nvidia недавно провозгласил смерть закона Мура. Сама компания полагается на свою технологию искусственного интеллекта для достижения большей производительности без необходимости отходить от монолитной конструкции. Его новейшая архитектура Ada теоретически во много раз быстрее Ampere прошлого поколения благодаря таким функциям, как DLSS 3. Однако в ближайшие годы мы увидим, нужно ли сохранять закон Мура в силе или же новые технологии смогут отразить преимущества в производительности от добавления большего количества транзисторов без необходимости их фактического добавления.