Як смерть SRAM вплине на майбутнє ПК

У грудні, Про це повідомляє Wikichip що 3-нм техпроцес TSMC практично не показав покращення щільності порівняно з попереднім 5-нм вузлом компанії щодо щільності SRAM. Видання поставило одне просте питання: чи ми щойно стали свідками смерті SRAM? Принаймні на думку Wikichip, «історичне масштабування офіційно мертве».

Ця ідея має величезні наслідки для всієї індустрії технологій, і її наслідки будуть відчуватися на ПК та інших пристроях протягом багатьох років. Але ви можете запитати себе, що все це означає і чи варто вам турбуватися. Щоб зрозуміти, як «смерть SRAM» вплине на ПК і як розробники чіпів впораються з цим, нам потрібно поговорити про вузли, закон Мура та кеш.

Закон Мура вмирав поступово, а тепер раптово

Закон Мура є еталоном успіху в напівпровідниковій промисловості та стверджує, що нові мікросхеми повинні мати вдвічі більше транзисторів, ніж мікросхеми дворічної давності. Intel, AMD та інші розробники чіпів хочуть бути впевненими, що вони йдуть в ногу з законом Мура, і не встигати означає втрату технологічної переваги перед конкурентами.

Оскільки процесори можуть бути дуже великими, єдиний надійний спосіб збільшити кількість транзисторів — це зменшити їх і щільніше упакувати разом. Вузол або процес — це те, як виробник напівпровідників (також відомий як фабрики та ливарні) виготовляє мікросхему; вузол зазвичай визначається розміром транзистора, тому чим менше, тим краще. Оновлення до новітнього виробничого процесу завжди було надійним способом збільшити кількість транзисторів і продуктивність, і протягом десятиліть індустрія змогла виправдати всі очікування.

На жаль, закон Мура вмирає вже багато років, приблизно з 2010 року, коли галузь досягла позначки в 32 нм. Коли він спробував пройти далі, то вдарився об цегляну стіну. Майже кожна фабрика від TSMC до Samsung і GlobalFoundries намагалася розробити щось менше, ніж 32 нм. Згодом були розроблені нові технології, які знову зробили прогрес можливим, але транзистори більше не стають меншими, як раніше. Назва вузла більше не відображає, наскільки малий транзистор насправді, і нові процеси більше не забезпечують збільшення щільності, яке було раніше.

Галузь наткнулася на цегляну стіну, коли в 2010 році спробувала перевищити позначку 32 нм.

Отже, що відбувається з 3-нм вузлом TSMC? Що ж, у типовому процесорі є два основних типи транзисторів: для логіки та для SRAM або кешу. Деякий час логіку було легше зменшити, ніж кеш (кеш і так дуже щільний), але це перший випадок, коли ми бачимо, як таке ливарне підприємство, як TSMC, взагалі не стискає його в новому вузлі. У якийсь момент очікується варіант 3-нм із значно вищою щільністю кешу, але TSMC безперечно досягає точки перегину, де масштабування дуже незначне, і інші фабрики можуть зіткнутися з тим самим проблема.

Але проблема полягає не лише в неможливості збільшити обсяг кешу, не використовуючи більше області. Процесори можуть бути дуже великими, і будь-який простір, зайнятий кеш-пам’яттю, не може бути використаний для логіки або транзисторів, які призводять до прямого збільшення продуктивності. У той же час процесори з більшою кількістю ядер та іншими функціями потребують більшої кількості кешу, щоб уникнути вузьких місць, пов’язаних із пам’яттю. Незважаючи на те, що щільність логіки продовжує зростати з кожним новим вузлом, цього може бути недостатньо, щоб компенсувати відсутність масштабування SRAM. Це може стати смертельним ударом для закону Мура.

Як промисловість може вирішити проблему SRAM

Високопродуктивні процесори мають досягти трьох цілей: обмежений розмір, необхідна кеш-пам’ять і нові вузли більше не зменшуватимуть розмір кешу значно, якщо взагалі. Хоча можливо збільшити продуктивність за рахунок архітектурних удосконалень і вищих тактових частот, додаючи Більше транзисторів завжди було найпростішим і найпослідовнішим способом досягти підвищення швидкості покоління. Щоб подолати цю проблему, потрібно змінити одну з цих основ.

Як виявилося, вже є ідеально робоче рішення проблеми SRAM: чіплети. Це технологія, яку AMD використовує з 2019 року для своїх настільних і серверних процесорів. У конструкції чіплета використовується кілька частин кремнію (або матриць), і кожна матриця виконує одну або кілька функцій; деякі можуть просто мати ядра, наприклад. Це суперечить монолітній конструкції, де все знаходиться в одній матриці.

Чіплети вирішують проблему розміру, і вони є ключовою частиною того, чому AMD змогла не відставати від закону Мура. Пам’ятайте, закон Мура не стосується щільність, але кількість транзисторів. Завдяки технології чіплетів AMD вдалося створити процесори із загальною площею кристала понад 1000 мм2; Виготовити цей ЦП лише в одній матриці, ймовірно, неможливо.

Єдина найважливіша річ, яку AMD зробила для пом’якшення проблеми з кеш-пам’яттю, – це розмістити кеш-пам’ять на власному кристалі. V-Cache всередині Ryzen 7 5800X3D і чіплети пам’яті в Серія RX 7000 є прикладом чіплетів кешу в дії. Цілком ймовірно, що AMD побачила напис на стіні, оскільки кеш-пам’ять було важко зменшити протягом багатьох років, і тепер, коли кеш можна відокремити від усього іншого, це залишає більше місця для більших мікросхем із більшою ядер. Основний кристал RX 7900 XTX має лише близько 300 мм2, що означає, що у AMD є достатньо місця для створення більшого кристала, якщо вона захоче.

Проте мікросхеми — не єдиний спосіб. Нещодавно генеральний директор Nvidia проголосив смерть закону Мура. Сама компанія покладається на свою технологію штучного інтелекту для досягнення більшої продуктивності без необхідності відходу від монолітного дизайну. Його найновіша архітектура Ada теоретично у багато разів швидша за Ampere минулого покоління завдяки таким функціям, як DLSS 3. Проте в найближчі роки ми побачимо, чи потрібно зберегти закон Мура, чи нові технології зможуть відобразити переваги продуктивності додавання більшої кількості транзисторів без фактичної необхідності додавати їх.