Ako smrť SRAM ovplyvní budúcnosť počítačov

V decembri, Informoval o tom Wikichip že 3nm proces TSMC nevykazoval prakticky žiadne zlepšenie hustoty v porovnaní s predchádzajúcim 5nm uzlom spoločnosti, pokiaľ ide o hustotu SRAM. Publikácia položila jednu jednoduchú otázku: Boli sme práve svedkami smrti SRAM? Aspoň podľa názoru Wikichip „historické škálovanie je oficiálne mŕtve“.

Táto myšlienka má obrovské dôsledky pre celý technologický priemysel a jej účinky sa budú prejavovať v počítačoch a iných zariadeniach v nasledujúcich rokoch. Možno sa však sami seba pýtate, čo to všetko znamená a či by vám to malo byť jedno. Aby sme pochopili, ako „smrť SRAM“ ovplyvní počítače a ako sa s tým dizajnéri čipov vysporiadajú, musíme hovoriť o uzloch, Moorovom zákone a vyrovnávacej pamäti.

Moorov zákon postupne umieral a teraz zrazu

Mooreov zákon je meradlom úspechu v polovodičovom priemysle a tvrdí, že novšie čipy by mali mať dvojnásobný počet tranzistorov ako čipy spred dvoch rokov. Intel, AMD a ďalší dizajnéri čipov sa chcú uistiť, že držia krok s Moorovým zákonom, a neschopnosť držať krok znamená stratu technologickej výhody oproti konkurencii.

Keďže procesory môžu byť len také veľké, jediným spoľahlivým spôsobom, ako zvýšiť počet tranzistorov, je ich zmenšiť a zhustiť. Uzol alebo proces je spôsob, akým výrobca polovodičov (tiež nazývané výrobné závody a zlievarne) vyrába čip; uzol je zvyčajne definovaný veľkosťou tranzistora, takže čím menší, tým lepšie. Inovácia na najnovší výrobný proces bola vždy spoľahlivým spôsobom, ako zvýšiť počet tranzistorov a výkon, a po celé desaťročia bolo toto odvetvie schopné splniť všetky očakávania.

Bohužiaľ, Mooreov zákon už roky umiera, približne od roku 2010, keď priemysel dosiahol hranicu 32 nm. Keď sa snažil ísť ďalej, narazil do tehlovej steny. Takmer každý závod od TSMC cez Samsung až po GlobalFoundries sa snažil vyvinúť čokoľvek menšie ako 32nm. Nakoniec boli vyvinuté nové technológie, ktoré opäť umožnili pokrok, ale tranzistory sa už nezmenšujú rovnakým spôsobom ako predtým. Názov uzla už neodráža, aký malý je tranzistor v skutočnosti a nové procesy už neprinášajú také nárasty hustoty, na aké boli zvyknuté.

Priemysel narazil na tehlovú stenu, keď sa v roku 2010 pokúsil ísť ďalej ako 32 nm.

Ako je to teda s 3nm uzlom TSMC? V typickom procesore sú dva hlavné typy tranzistorov: tie pre logiku a tie pre SRAM alebo vyrovnávaciu pamäť. Logiku bolo na chvíľu jednoduchšie zmenšiť ako vyrovnávaciu pamäť (vyrovnávacia pamäť je už skutočne hustá), ale toto je prvýkrát, čo sme videli, ako sa zlievarni ako TSMC nepodarilo zmenšiť ju vôbec v novom uzle. V určitom okamihu sa očakáva variant 3nm s výrazne vyššou hustotou vyrovnávacej pamäte, ale TSMC určite narazili na inflexný bod, kde je škálovanie veľmi malé a iné fabuly sa môžu stretnúť s tým istým problém.

Problém však nie je len v tom, že nie je možné zvýšiť množstvo vyrovnávacej pamäte bez toho, aby ste zabrali väčšiu plochu. Procesory môžu byť len také veľké a akýkoľvek priestor, ktorý zaberá vyrovnávacia pamäť, je priestor, ktorý nemožno použiť pre logiku, alebo tranzistory, ktoré vedú k priamemu zvýšeniu výkonu. Procesory s viacerými jadrami a ďalšími funkciami zároveň potrebujú viac vyrovnávacej pamäte, aby sa vyhli problémom s pamäťou. Aj keď sa hustota logiky stále zvyšuje s každým novým uzlom, nemusí to stačiť na kompenzáciu nedostatku škálovania SRAM. Toto môže byť vražedná rana pre Mooreov zákon.

Ako môže priemysel vyriešiť problém SRAM

Existujú tri ciele, ktoré musia vysokovýkonné procesory splniť: veľkosť je obmedzená, vyžaduje sa vyrovnávacia pamäť a nové uzly už nebudú príliš znižovať veľkosť vyrovnávacej pamäte, ak vôbec. Aj keď je možné zvýšiť výkon pomocou architektonických vylepšení a vyšších taktovacích rýchlostí viac tranzistorov bolo vždy najjednoduchším a najkonzistentnejším spôsobom, ako dosiahnuť generačné zvýšenie rýchlosti. Na prekonanie tejto výzvy je potrebné zmeniť jeden z týchto základov.

Ako sa ukazuje, na problém SRAM už existuje dokonale fungujúce riešenie: čiplety. Je to technológia, ktorú AMD používa od roku 2019 pre svoje desktopové a serverové CPU. Čipletový dizajn používa viacero kusov kremíka (alebo matrice) a každá matrica má jednu alebo len niekoľko funkcií; niektoré môžu mať napríklad len jadrá. To je v protiklade k monolitickému dizajnu, kde je všetko v jedinej kocke.

Chiplety riešia problém veľkosti a sú kľúčovou súčasťou toho, prečo AMD dokázalo držať krok s Moorovým zákonom. Pamätajte, že Moorov zákon nie je o hustota, ale počet tranzistorov. S čipletovou technológiou bola AMD schopná vytvoriť procesory s celkovou plochou matrice viac ako 1 000 mm2; výroba tohto CPU len jednou matricou je pravdepodobne nemožná.

Jediná najdôležitejšia vec, ktorú spoločnosť AMD urobila na zmiernenie problému s vyrovnávacou pamäťou, je umiestniť vyrovnávaciu pamäť na vlastnú kocku. V-Cache vnútri Ryzen 7 5800X3D a pamäťové čipy v Séria RX 7000 sú príkladom cache chipletov v akcii. Je pravdepodobné, že AMD videla nápis na stene, pretože vyrovnávaciu pamäť je už roky ťažké zmenšiť a teraz, keď je možné vyrovnávaciu pamäť rozdeliť od všetkého ostatného, ​​ponecháva viac miesta pre väčšie čipy jadrá. Hlavná matrica RX 7900 XTX má len asi 300 mm2, čo znamená, že je tu dostatok priestoru pre AMD na výrobu väčšej matrice, ak chce.

Chiplety však nie sú jediným spôsobom. Generálny riaditeľ spoločnosti Nvidia nedávno vyhlásil smrť Moorovho zákona. Samotná spoločnosť sa spolieha na svoju technológiu umelej inteligencie, aby dosiahla vyšší výkon bez toho, aby sa musela vzdialiť od monolitického dizajnu. Jeho najnovšia architektúra Ada je teoreticky mnohonásobne rýchlejšia ako Ampere minulej generácie vďaka funkciám ako DLSS 3. V najbližších rokoch však uvidíme, či bude nutné zachovať Moorov zákon, alebo či nové technológie dokážu odzrkadľovať výkonnostné výhody pridania ďalších tranzistorov bez toho, aby museli nejaké pridávať.