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壞消息:臺積電停止SRAM微縮!卡在了5納米!

2022-12-18
來源:EETOP
關鍵詞: 臺積電 SRAM GPU

根據WikiChip的一份報告,臺積電SRAM微縮速度已經大大放緩。當涉及到全新的制造節點時,我們希望它們能夠提高性能、降低功耗并增加晶體管密度。但是,盡管邏輯電路在最近的工藝技術中得到了很好的擴展,但SRAM單元一直落后,顯然在臺積電的3nm級生產節點上幾乎停止了微縮。對于未來的CPU、GPU和SoC來說,這是一個主要問題,由于SRAM單元區域微縮緩慢,它們可能會變得更加昂貴。

SRAM 微縮速度放緩

當臺積電今年早些時候正式推出其N3制造技術時,它表示,與其N5(5nm級)工藝相比,新節點將在邏輯密度方面提供1.6倍和1.7倍的改進。它沒有透露的是,與N5相比,新技術的SRAM單元幾乎無法微縮,根據WikiChip的說法,WikiChip從國際電子設備會議(IEDM)上發表的臺積電論文中獲得了信息。

臺積電的N3具有0.0199μm2的SRAM位單元大小,與N5的0.021μm2 SRAM位單元相比僅縮小了~5%。改進后的N3E變得更糟,因為它配備了0.021 μm2 SRAM位單元(大致轉換為31.8 Mib / mm2),這意味著與N5相比根本沒有縮放。

同時,英特爾的intel 4(最初稱為7nm EUV)將SRAM位單元尺寸從Intel 7(以前稱為10nm Enhanced SuperFin)的0.0312μm2減小到0.024μm2(大致轉換為27.8 Mib / mm2),這有點落后于臺積電的HD SRAM密度。

此外,WikiChip還回顧了Imec的一次演示,該演示文稿顯示在帶有叉形晶體管的“超過2nm節點”上SRAM密度約為60 Mib / mm2。不過這種工藝技術還需要數年時間,從現在到那時,芯片設計人員將不得不開發英特爾和臺積電宣傳的SRAM密度處理器(盡管英特爾4不太可能被英特爾以外的任何人使用)。

后果很嚴重!

這是個嚴重的壞消息!從這個角度來看,雖然N3B和N3E據說都提供了1.6倍和1.7倍的芯片級晶體管縮放,但SRAM的1.0倍和1.05倍縮放是災難性的。現在,我們仍然預計臺積電會在某個時候為N3推出更密集的SRAM位單元變體,我們確實希望將來看到SRAM的某種程度的微縮,但舊的SRAM微縮似乎已經死了。

假設在TSMC N16上有一個100億個晶體管芯片,其中40%是SRAM, 60%是邏輯晶體管。忽略實際限制和模擬/物理/等等,這樣一個假設的芯片的芯片面積約為255毫米2,其中45毫米2(或17.6%)為SRAM。將完全相同的芯片縮小到N5將產生一個56毫米2的芯片,其中12.58毫米2或占22.5%的芯片面積的SRAM。將芯片進一步縮小到N3將產生一個44毫米2的芯片,SRAM的面積依然是12.58毫米2,這將占據芯片面積的近30%。

當然,影響不會全面感受到。芯片上的SRAM和緩存百分比因目標市場和整體能力而異。然而,對于一些人工智能硬件初創公司來說,其架構要求SRAM覆蓋芯片的很大一部分,這些工程師將比其他工程師更快地遇到更多的挑戰。

現代芯片中的SRAM

現代 CPU、GPU 和 SoC 在處理數據時將 SRAM用于各種緩存,并且從內存中獲取數據的效率極低,尤其是對于各種人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 工作負載。但如今,即使是智能手機的通用處理器、圖形芯片和應用處理器也攜帶著巨大的緩存:AMD的Ryzen 9 7950X總共攜帶81MB的緩存,而英偉達的AD102至少使用123MB的SRAM用于英偉達公開披露的各種緩存。

展望未來,對緩存 SRAM的需求只會增加,但對于N3(設置為僅用于少數產品)和N3E,這就無法減少SRAM占用的芯片面積,也無法降低與N5相比的新節點的更高成本。從本質上講,這意味著高性能處理器的芯片尺寸將會增加,因此它們的成本也會增加。同時,與邏輯單元一樣,SRAM單元也容易出現缺陷。在某種程度上,芯片設計人員將能夠通過N3的FinFlex創新(在一個模塊中混合和匹配不同類型的FinFET,以優化其性能,功率或面積)來緩解較大的SRAM單元,但在這一點上,我們只能猜測這將帶來什么樣的成果。臺積電計劃推出其密度優化的N3S工藝技術,與N5相比,該技術有望縮小SRAM位單元的尺寸,但這將在2024年左右發生,我們想知道這是否會為AMD、Apple、Nvidia和高通設計的芯片提供足夠的邏輯性能。

緩解措施?

從成本角度來看,減緩SRAM面積微縮速度的方法之一是采用多芯片設計,并將較大的緩存分解到更便宜的節點上的獨立芯片中。這是AMD在其3D V-Cache中所做的事情,盡管原因略有不同。另一種方法是使用替代內存技術,如eDRAM或FeRAM作為緩存,盡管后者有自己的特點。

無論如何,在3nm及以上使用基于FinFET的節點減緩SRAM縮放速度似乎是未來幾年芯片設計人員面臨的主要挑戰。



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