如果 SRAM 縮放不可行，未來(lái)的芯片性能可能會(huì)受到阻礙。

幾乎所有處理器都依賴(lài)某種形式的 SRAM 緩存。緩存作為一種高速存儲(chǔ)解決方案，由于其緊鄰處理核心的戰(zhàn)略位置，訪問(wèn)時(shí)間非常快。擁有快速且可訪問(wèn)的存儲(chǔ)可以顯著提高處理性能，并減少核心工作所浪費(fèi)的時(shí)間。 在第 68 屆年度 IEEE 國(guó)際 EDM 會(huì)議上，臺(tái)積電揭示了 SRAM 縮放方面的巨大問(wèn)題。該公司正在為 2023 年開(kāi)發(fā)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn) N3B 將包括與其前身 N5 相同的 SRAM 晶體管密度，后者用于 AMD 的Ryzen 7000 系列等 CPU 。 目前正在為 2024 年開(kāi)發(fā)的另一個(gè)節(jié)點(diǎn) N3E 并沒(méi)有好多少，其 SRAM 晶體管尺寸僅減少了 5%。

根據(jù) WikiChip 的一份報(bào)告，討論了半導(dǎo)體行業(yè)中 SRAM 收縮問(wèn)題的嚴(yán)重性。臺(tái)積電的 SRAM Scaling 已經(jīng)大幅放緩。臺(tái)積電報(bào)告說(shuō)，盡管邏輯晶體管密度繼續(xù)縮小，但其 SRAM 晶體管的縮放比例已經(jīng)完全趨于平穩(wěn)，以至于 SRAM 緩存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上保持相同的大小。它會(huì)迫使處理器 SRAM 緩存在微芯片芯片上占用更多空間。這反過(guò)來(lái)可能會(huì)增加芯片的制造成本，并阻止某些微芯片架構(gòu)變得盡可能小。 對(duì)于未來(lái)的 CPU、GPU 和 SoC 來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)主要問(wèn)題，由于 SRAM 單元面積縮放緩慢，它們可能會(huì)變得更加昂貴。

SRAM 縮放速度變慢

臺(tái)積電在今年早些時(shí)候正式推出其 N3 制造技術(shù)時(shí)表示，與其 N5（5 納米級(jí)）工藝相比，新節(jié)點(diǎn)的邏輯密度將提高 1.6 倍和 1.7 倍。它沒(méi)有透露的是，與 N5 相比，新技術(shù)的 SRAM 單元幾乎無(wú)法縮放。根據(jù) WikiChip，它從臺(tái)積電在國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議 (IEDM) 上發(fā)表的一篇論文中獲得信息TSMC 的 N3 具有 0.0199μm2 的 SRAM 位單元尺寸，與 N5 的 0.021μm2SRAM 位單元相比僅小約 5%。改進(jìn)后的 N3E 變得更糟，因?yàn)樗鋫淞?0.021 μm2 SRAM 位單元（大致相當(dāng)于 31.8 Mib/mm2），這意味著與 N5 相比根本沒(méi)有縮放。 同時(shí)，英特爾的 Intel 4（最初稱(chēng)為 7nm EUV）將 SRAM 位單元大小從 0.0312μm2 減少到 0.024μm2，對(duì)于 Intel 7（以前稱(chēng)為 10nm Enhanced SuperFin），我們?nèi)栽谡務(wù)?27.8 Mib/mm 2，這有點(diǎn)落后于 TSMC 的 HD SRAM 密度。 此外， WikiChip 回憶起 Imec 的演示文稿，該演示文稿顯示在帶有分支晶體管的“超過(guò) 2nm 節(jié)點(diǎn)”上的 SRAM 密度約為 60 Mib/mm2。這種工藝技術(shù)還需要數(shù)年時(shí)間，從現(xiàn)在到那時(shí)，芯片設(shè)計(jì)人員將不得不開(kāi)發(fā)具有英特爾和臺(tái)積電宣傳的 SRAM 密度的處理器。

現(xiàn)代芯片中的 SRAM 負(fù)載

現(xiàn)代 CPU、GPU 和 SoC 在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)將大量 SRAM 用于各種緩存，從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)效率極低，尤其是對(duì)于各種人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 工作負(fù)載。但是現(xiàn)在即使是智能手機(jī)的通用處理器、圖形芯片和應(yīng)用處理器也帶有巨大的緩存：AMD 的 Ryzen 9 7950X 總共帶有 81MB 的緩存，而 Nvidia 的 AD102 使用至少 123MB 的 SRAM 用于 Nvidia 公開(kāi)披露的各種緩存。 展望未來(lái)，對(duì)緩存和 SRAM 的需求只會(huì)增加，但對(duì)于 N3（將僅用于少數(shù)產(chǎn)品）和 N3E，將無(wú)法減少 SRAM 占用的裸片面積并降低新的更高成本節(jié)點(diǎn)與 N5 相比。從本質(zhì)上講，這意味著高性能處理器的裸片尺寸將會(huì)增加，它們的成本也會(huì)增加。同時(shí)，就像邏輯單元一樣，SRAM 單元也容易出現(xiàn)缺陷。在某種程度上，芯片設(shè)計(jì)人員將能夠通過(guò) N3 的 FinFlex 創(chuàng)新（在一個(gè)塊中混合和匹配不同種類(lèi)的 FinFET 以?xún)?yōu)化其性能、功率或面積）來(lái)減輕更大的 SRAM 單元。 臺(tái)積電計(jì)劃推出其密度優(yōu)化的 N3S 工藝技術(shù)，與 N5 相比，該技術(shù)有望縮小 SRAM 位單元的尺寸，但這將在 2024 年左右發(fā)生，我們想知道這是否會(huì)為 AMD、Apple 設(shè)計(jì)的芯片提供足夠的邏輯性能，英偉達(dá)和高通。

緩解措施

在成本方面緩解 SRAM 區(qū)域擴(kuò)展放緩的方法之一是采用多小芯片設(shè)計(jì)，并將較大的緩存分解為在更便宜的節(jié)點(diǎn)上制造的單獨(dú)裸片。這是 AMD 對(duì)其 3D V-Cache 所做的事情，盡管原因略有不同。另一種方法是使用替代內(nèi)存技術(shù)，如 eDRAM 或 FeRAM 用于緩存，盡管后者有其自身的特點(diǎn)。 無(wú)論如何，在未來(lái)幾年，基于 FinFET 節(jié)點(diǎn)的 3nm 及更高節(jié)點(diǎn)的 SRAM 縮放速度放緩似乎是芯片設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛