В начале декабря 2022 года издание Wikichip сообщило, что технологический процесс в 3 нанометра от компании TSMC практически не показал улучшений в плане плотности по сравнению с предыдущим 5-нанометровым узлом той же компании в отношении плотности SRAM (статическая память с произвольным доступом). Издание задало лишь один простой вопрос — мы только что стали свидетелями смерти SRAM? По крайней мере, как считают специалисты Wikichip, «историческое масштабирование официально мертво».
И на самом деле данная идея имеет колоссальные последствия для всей технологической отрасли — последствия будут ощущаться и на рынке ПК, и в сегментах других типов электроники на протяжении ещё очень многих лет. Но вы, вероятно, сейчас спрашиваете себя о том, что всё это значит и стоит ли переживать об этом вопросе. Чтобы понять, как «смерть SRAM» повлияет на ПК и как с ней справятся производители микросхем, нам нужно немного поговорить о технологических процессах, законе Мура и кэш-памяти.
Закон Мура умирал постепенно
Можно с уверенностью сказать, что закон Мура является настоящим эталоном успеха в полупроводниковой промышленности. Он гласит, что в новых чипах должно быть в два раза больше транзисторов, чем в чипах двухлетней давности. Intel, AMD и другие разработчики чипов хотят быть уверены, что не отстают от закона Мура, ведь неспособность идти в ногу со временем означает потерю технологического преимущества в пользу конкурентов.
Поскольку процессоры должны сохранять адекватные размеры, единственный надёжный способ увеличить количество транзисторов — это уменьшить их физический размер и упаковать более плотно. Технологический процесс — это то, как производитель полупроводников изготавливает микросхему, и техпроцесс обычно определяется размером транзистора, так что чем он меньше, тем лучше. Переход на новейший производственный процесс всегда был надёжным способом увеличить количество транзисторов и, соответственно, производительность чипа — на протяжении десятилетий отрасль могла использовать этот инструмент, оправдывая все ожидания.
К сожалению, закон Мура умирает вот уже на протяжении многих лет, примерно с 2010-го, когда индустрия перешла на 32-нанометровый технологический процесс. Когда производители попытались пойти дальше, они буквально врезались в кирпичную стену. Дело в том, что все крупные производители, от TSMC до Samsung и GlobalFoundries, активно работали над созданием чего-то меньшего, чем 32 нанометра. В конечном итоге были разработаны новые технологии, которые позволили пойти дальше в этом направлении, но транзисторы больше нельзя уменьшать, как это делалось раньше. Теперь название технологического процесса не отражает то, насколько на самом деле компактен транзистор, а новые процессоры больше не демонстрируют того увеличения плотности упаковки, к которому привыкла индустрия.
Так что же случилось с 3-нанометровым техпроцессом TSMC? Дело в том, что в типичном процессоре есть два основных типа транзисторов — для логики и для SRAM (или кэш-памяти). На протяжении некоторого времени логику было сжимать заметно легче, чем кэш, потому что кэш и без того уже очень плотный, но теперь впервые за долгие годы мы видим, что производственные мощности TSMC не могут сжать логику в новом технологическом процессе. Соответственно, в ближайшем будущем ожидается вариант 3-нанометрового технологического процесса со значительно более высокой плотностью кэш-памяти, но TSMC, безусловно, попала в очень неудобную ситуацию, когда масштабирование становится слишком незначительным. И другие производители вскоре могут столкнуться с той же проблемой.
Но проблема не только в невозможности увеличить объём кэш-памяти, не занимая при этом больше пространства. Процессоры не безразмерные и любое пространство, занимаемое кэш-памятью, это пространство, которое нельзя будет использовать для логики или транзисторов, которые приводят к прямому приросту производительности. В то же время процессорам с большим количеством ядер и других передовых функций необходимо больше кэш-памяти, чтобы избежать «узких мест», связанных с использованием памяти. И несмотря на то, что плотность логики продолжает повышаться с каждым новым технологическим процессом, этого может быть недостаточно, чтобы компенсировать отсутствие масштабирования SRAM — именно это и может стать смертельным ударом по закону Мура.
Как отрасль может решить проблему SRAM
Есть три переменных, которые нужно учитывать — размер новых процессоров ограничен, процессорам требуется кэш-память и новые производственные процессы больше не будут заметно уменьшать физические размеры кэш-памяти (если им вообще удастся в будущем уменьшить эти размеры хоть немного). И хотя можно повысить производительность процессоров за счёт архитектурных усовершенствований и более высоких тактовых частот, именно добавление большего количества транзисторов всегда было самым простым и эффективным способом добиться повышения прироста производительности между поколениями. И чтобы преодолеть эту проблему, необходимо изменить одну из трёх ключевых переменных.
И, как оказалось, уже давно есть прекрасное и, что самое главное, работающее решение проблемы SRAM — чиплеты. Это технология, которую AMD использует с 2019 года для своих настольных и серверных процессоров. В конструкции чипсета используется несколько элементов кремния (или кристаллов), каждый из которых выполняют одну или несколько функций — например, некоторые элементы могут сдержать только ядра. Это противоречит монолитной конструкции, которая подразумевает, что всё находится на едином кристалле.
Чиплеты действительно решают проблему физического размера, являясь ключевой причиной того, почему AMD смогла не отставать от закона Мура. Ведь этот закон касается не плотности, а количества транзисторов. И благодаря данной технологии чиплетов компания AMD смогла создавать процессоры с общей плотностью кристалла более 1000 мм² — производство такого центрального процессора в формате «всё на одном кристалле», вероятно, просто невозможно.
Самая важная вещь, которую инженеры AMD сделали для решения проблемы с кэш-памятью, заключается в размещении этой памяти на собственном кристалле. V-Cache внутри процессора Ryzen 7 5800X3D и чиплеты памяти в серии видеокарт RX 7000 являются наглядной демонстрацией чиплетов кэш-памяти в действии. Вероятно, сотрудники AMD заметили неприятности на рынке, поскольку кэш-память уже много лет достаточно трудно сжимать, и приняли решение отделить эту память от всего остального, чтобы оставить больше места для более крупных чиплетов с большим количеством ядер.
Например, размер основного кристалла RX 7900 XTX составляет всего 300 мм², а это значит, что у AMD есть достаточно пространства, чтобы при желании сделать кристалл большего размера. Однако чиплеты — не единственный способ решения проблемы. Генеральный директор компании NVIDIA недавно объявил о смерти закона Мура. Сама компания полагается только на свою технологию искусственного интеллекта для достижения большей производительности, не отказываясь от монолитной конструкции. Новейшая архитектура компании NVIDIA под названием Ada Lovelace теоретически во много раз быстрее, чем Ampere прошлого поколения, благодаря функциям вроде DLSS 3.
Однако, безусловно, в ближайшие годы мы точно увидим, нужно ли отраслевым гигантам поддерживать закон Мура или самое время придумать новый закон, отвечающий технологическим особенностям современного мира.
Источник: XDA Developers.
