在高級節(jié)點(diǎn)使用 SRAM 需要新的方法。

SRAM無法擴(kuò)展，這給功耗和性能目標(biāo)帶來了挑戰(zhàn)，迫使設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)提出從硬件創(chuàng)新到重新思考設(shè)計布局的策略。與此同時，盡管 SRAM 的初始設(shè)計已經(jīng)存在很長的歷史，并且目前還存在擴(kuò)展限制，但它已成為人工智能的主力存儲器。

SRAM 配置有六個晶體管，這使其訪問時間比 DRAM 更快，但代價是在讀取和寫入時消耗更多能量。相比之下，DRAM 采用一個晶體管/一個電容器的設(shè)計，這使得它更便宜。但 DRAM 會影響性能，因為電容器因電荷泄漏而需要刷新。因此，自推出 60 多年以來，SRAM 一直是優(yōu)先考慮較低延遲和可靠性的應(yīng)用中的首選存儲器。

圖 1：SRAM 單元尺寸縮小得比進(jìn)程更慢。來源：新興內(nèi)存技術(shù)報告

事實上，對于 AI/ML 應(yīng)用來說，SRAM 不僅僅具有其自身的優(yōu)勢。“SRAM 對于 AI 至關(guān)重要，尤其是嵌入式 SRAM。它是性能最高的存儲器，您可以將其直接與高密度邏輯芯片集成。僅出于這些原因，這一點(diǎn)就很重要。”Alphawave Semi首席技術(shù)官托尼·陳·卡魯松 (Tony Chan Carusone) 說道。

功耗和性能挑戰(zhàn)

但是，在跟上 CMOS 縮放的步伐時，SRAM 卻表現(xiàn)不佳，這對功耗和性能產(chǎn)生了影響?！霸趥鹘y(tǒng)的平面器件縮放中，柵極長度和柵極氧化物厚度一起按比例縮小，以提高性能和對短溝道效應(yīng)的控制。更薄的氧化物可以在更低的 VDD 電平下實現(xiàn)性能增益，這有利于 SRAM 減少泄漏和動態(tài)功耗?！?a href="http://www.nxhydt.com/tags/西門子/" target="_blank">西門子 EDA的存儲器技術(shù)專家 Jongsin Yun 說道?！叭欢谧罱募夹g(shù)節(jié)點(diǎn)遷移中，我們幾乎沒有看到氧化層或 VDD 電平進(jìn)一步縮小。此外，晶體管的幾何收縮導(dǎo)致金屬互連更薄，從而導(dǎo)致寄生電阻增加，這就導(dǎo)致更多的功率損耗和 RC 延遲。

隨著人工智能設(shè)計越來越需要更多的內(nèi)部存儲器訪問，SRAM 在技術(shù)節(jié)點(diǎn)遷移中進(jìn)一步擴(kuò)大其功耗和性能優(yōu)勢已成為一項重大挑戰(zhàn)。”

這些問題加上 SRAM 的高成本，不可避免地會導(dǎo)致性能下降。Rambus的杰出發(fā)明家 Steve Woo 表示：“如果無法獲得足夠的 SRAM 來滿足處理器內(nèi)核的數(shù)據(jù)存儲需求，那么內(nèi)核最終將不得不將數(shù)據(jù)移至更遠(yuǎn)的地方?！?“在 SRAM 和 DRAM 之間移動數(shù)據(jù)需要額外的電力，因此系統(tǒng)消耗更多的電力，從 DRAM 訪問數(shù)據(jù)需要更長的時間，因此性能會下降?！?/p>

imecDTCO 項目總監(jiān) Geert Hellings 表示：“展望納米片，SRAM 的尺寸縮放預(yù)計會非常小。” “可以說，如果所有其他工藝/布局裕度保持不變，用納米片（~15nm 寬）替換鰭片（約 15nm 寬）將使 SRAM 位單元高度增加 40nm（每個 4 個鰭片）。顯然，這不是一個很好的價值主張。因此，工藝/布局余量的改進(jìn)有望抵消這一點(diǎn)。然而，將SRAM從finFET擴(kuò)展到納米片是一場艱苦的戰(zhàn)斗。

Flex Logix曾在幾個最低節(jié)點(diǎn)工作過，包括臺積電的 N7 和 N5，最近還收到了英特爾 1.8A節(jié)點(diǎn)的 PDK。Flex Logix 首席執(zhí)行官 Geoffrey Tate 表示：“我們使用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的客戶都抱怨該邏輯的擴(kuò)展性比 SRAM 更好、更快?！?“這對于處理器來說是一個問題，因為擁有比整個處理器更大的緩存內(nèi)存是不尋常的。但如果你把它放在芯片外，你的性能就會急劇下降。”

臺積電正在聘請更多內(nèi)存設(shè)計師來提高 SRAM 密度，但他們是否能從 SRAM 中獲得更多收益還有待觀察。Tate說：“有時，你可以通過雇傭更多的人來讓事情變得更好，但僅限于一定程度?！?“隨著時間的推移，客戶將需要考慮不再像現(xiàn)在那樣頻繁使用 SRAM 的架構(gòu)?！?/p>

事實上，早在 20 納米時代，SRAM 就無法與邏輯相稱地擴(kuò)展，這預(yù)示著當(dāng)片上存儲器變得比芯片本身更大時，將會出現(xiàn)功耗和性能挑戰(zhàn)。針對這些問題，系統(tǒng)設(shè)計人員和硬件開發(fā)人員都在應(yīng)用新的解決方案并開發(fā)新技術(shù)。

沿著這些思路，AMD采取了不同的方法。Rambus 的 Woo 表示：“他們推出了一種名為 3D V-Cache 的技術(shù)，該技術(shù)允許將單獨(dú)芯片上的附加 SRAM 高速緩存存儲器堆疊在處理器頂部，從而增加處理器內(nèi)核可用的高速緩存量?！?“額外的芯片增加了成本，但允許訪問額外的 SRAM。另一種策略是擁有多級緩存。處理器內(nèi)核可以擁有只有它們才能訪問的私有（非共享）一級和二級緩存，以及在處理器內(nèi)核之間共享的更大的末級緩存 (LLC)。由于處理器擁有如此多的內(nèi)核，共享 LLC 允許某些內(nèi)核使用更多容量，以便在所有處理器內(nèi)核上更有效地使用總?cè)萘??！?/p>

糾錯

縮放也增加了可靠性問題。Flex Logix 首席技術(shù)官 Cheng Wang 表示：“SRAM 傳統(tǒng)上使用比邏輯單元更激進(jìn)、更小的尺寸，但它與傳統(tǒng)邏輯門不同，傳統(tǒng)邏輯門永遠(yuǎn)不會發(fā)生爭用，并且您總是在其中寫入新值?！?由于 SRAM 只有六個晶體管，因此您無法添加大量門來使其在寫入時變?nèi)?，在不寫入時放大。你也不能讓 SRAM 太小，因為這可能會因 α 粒子等問題導(dǎo)致單粒子擾動 (SEU)，其中離子的能量壓倒 SRAM 單元中的能量，隨著 SRAM 縮小，這種情況更容易發(fā)生。

Wang 表示，糾錯可能會成為一項常見要求，特別是對于汽車設(shè)備。

權(quán)衡

這導(dǎo)致設(shè)計方面發(fā)生很多變化?！懊總€人都試圖在芯片上使用更少的 SRAM。”Wang 說。設(shè)計人員采取的另一種方法是盡可能只使用單核存儲器。“在較舊的工藝節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)我們編寫寄存器文件時，使用雙核內(nèi)存的可能性要大得多，”他說?！暗羞@些都增加了面積。因此，在較低的節(jié)點(diǎn)中，設(shè)計人員試圖讓所有東西都從內(nèi)存中的單個端口運(yùn)行，因為這些是可用的最小、最密集的全功率選項。他們不一定會放棄SRAM，但他們會盡可能地使用單核存儲器。他們試圖使用更小的內(nèi)存，并選擇SRAM作為可用帶寬，而不是真正的大存儲。大型存儲要么轉(zhuǎn)移到 DRAM，如果你能承受延遲，要么轉(zhuǎn)移到 HBM，如果你能負(fù)擔(dān)得起成本。

替代方法：新架構(gòu)

為了不斷提高 SRAM 的功耗性能，我們已經(jīng)評估和應(yīng)用了超出位單元設(shè)計的許多更新，包括 SRAM 外圍設(shè)計中的附加支持電路，Yun 表示。

“SRAM 和外圍設(shè)備不再共享電源。取而代之的是，采用雙電源軌來單獨(dú)利用最有效的電壓水平，”西門子的 Yun 說道?！霸谀承┰O(shè)計中，SRAM 可以進(jìn)入休眠模式，施加保留數(shù)據(jù)所需的最低電壓，直到 CPU 下次訪問數(shù)據(jù)。這帶來了顯著的功耗優(yōu)勢，因為漏電流與 VDD 呈指數(shù)關(guān)系。一些 SRAM 設(shè)計采用了額外的電路來解決操作弱點(diǎn)，旨在提高最低工作電壓。”

例如，高密度 （HD） SRAM 單元可以通過對 6 個晶體管使用單鰭晶體管來實現(xiàn)最小的幾何形狀。然而，由于相同尺寸的上拉 （PU） 和通柵極 （PG） 晶體管在寫入操作期間存在爭用問題，HD 單元在低電壓操作中面臨挑戰(zhàn)。

“在SRAM輔助電路中，如負(fù)位線，瞬態(tài)電壓崩潰技術(shù)被廣泛采用，以緩解這些問題并增強(qiáng)低電壓操作，”Yun說?！盀榱藴p輕寄生電阻效應(yīng)，最新的位單元設(shè)計使用雙軌或三軌金屬線作為合并位線（BL）或字線（WL）。BL方法根據(jù)操作選擇性地連接金屬軌道，降低有效電阻并平衡陣列頂部和底部之間的放電率。在持續(xù)的開發(fā)中，正在探索埋地電源軌以進(jìn)一步降低布線電阻。這涉及將所有電源軌放置在晶體管下方，從而緩解晶體管上方的信號路徑擁塞?！?/p>

其他存儲器、其他結(jié)構(gòu)

新的嵌入式存儲器類型通常被提出作為 SRAM 的替代品，但每種類型都有自己的一系列問題。“主要的競爭者M(jìn)RAM和ReRAM僅占用一個晶體管面積，”Yun 說。“雖然它比 SRAM 中的晶體管大，但它們的整體單元尺寸仍約為 SRAM 的三分之一，最終的宏觀尺寸目標(biāo)（包括外圍電路）約為 SRAM 尺寸的一半。有明顯的尺寸優(yōu)勢，但寫入速度的表現(xiàn)仍然遠(yuǎn)慢于SRAM。實驗室在寫入速度和耐用性方面取得了一些成果，但在汽車用閃存替代 MRAM 生產(chǎn)之后，高速 MRAM 的開發(fā)計劃已經(jīng)延長。L3 緩存替換的尺寸優(yōu)勢當(dāng)然值得考慮，但 eflash 類型 MRAM 的生產(chǎn)必須有一個提前的提升?！?/p>

如果物理學(xué)不允許使用更小的 SRAM，則替代方案將需要重新考慮架構(gòu)并采用小芯片?！叭绻?SRAM 無法在 N3 或 N2 中擴(kuò)展，那么可以將更先進(jìn)的邏輯芯片與采用舊技術(shù)制造的 SRAM 芯片結(jié)合起來，”imec 的 Hellings 說。“這種方法將受益于邏輯 PPA 的改進(jìn)，同時為 SRAM 使用經(jīng)濟(jì)高效的（較舊的，可能更高的產(chǎn)量和更便宜的）技術(shù)節(jié)點(diǎn)。原則上，AMD 基于 V 緩存的系統(tǒng)可以進(jìn)行擴(kuò)展，僅將邏輯芯片移動到下一個節(jié)點(diǎn)，然后需要使用 3D 集成或小芯片方法 (2.5D) 組合兩個芯片?！?/p>

Ambiq 首席技術(shù)官 Scott Hanson 指出，chiplet 解決方案非常適合正在進(jìn)行的集成革命。“模擬電路很久以前就停止了縮放，出于功耗、性能和成本方面的原因，從 DRAM 到 SRAM 到 NVM 的所有類型的存儲器都更喜歡在不同的節(jié)點(diǎn)上制造。邏輯芯片更喜歡在仍然滿足成本和泄漏要求的最小節(jié)點(diǎn)上制造。通過多芯片集成，可以將芯片組合到單個封裝中。許多人在移動和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域都聽說過這一點(diǎn)，但它也在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域迅速發(fā)生?！?/p>

在有限的情況下，系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (STCO) 也可以提供幫助?！皩τ谀承?yīng)用，原則上不需要片上緩存，”Hellings 說?！袄纾谌斯ぶ悄苡?xùn)練中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)僅使用一次，而模型參數(shù)應(yīng)該可以在芯片上輕松訪問。軟件和芯片架構(gòu)可以繞過緩存層次結(jié)構(gòu)，促進(jìn)這種一次性數(shù)據(jù)移動，具有很大的潛力。”

所有這些都激發(fā)了人們對新布局和互連協(xié)議（例如 UCIe 和 CXL）的興趣。“當(dāng)你有更大的人工智能工作負(fù)載時，內(nèi)存會隨著計算而擴(kuò)展，但如果其中一個組件的擴(kuò)展速度比另一個組件快一點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方式，你會遇到不同的瓶頸，”新思科技的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理 Ron Lowman 說。“人工智能工作負(fù)載大大增加了所需處理器陣列的數(shù)量。他們甚至突破了芯片掩模版尺寸的限制，因此現(xiàn)在您需要用于芯片到芯片系統(tǒng)的高速互連（例如 UCIe），這意味著多芯片系統(tǒng)不可避免地要處理人工智能工作負(fù)載?！?/p>

解決問題的新堆棧

華邦電子通過其 CUBE 堆棧（定制超帶寬元素）重新思考了內(nèi)存架構(gòu)?！拔覀兪褂?DRAM 作為存儲單元，但也通過過孔進(jìn)行 3D 堆疊，”華邦 DRAM 營銷經(jīng)理 Omar Ma 解釋道?！澳梢蕴峁牡撞炕逡恢钡?SoC 芯片的連接。它更具成本效益，因為 DRAM 不使用 SRAM 的六個晶體管。”

CUBE 可以提供足夠高的密度來替代 SRAM 直至 3 級緩存?！盀榱诉_(dá)到一定的帶寬要求，只有兩個選擇——提高時鐘速度或增加 I/O 數(shù)量，”O(jiān)mar Ma 解釋道?！笆褂?CUBE，您可以根據(jù)需要增加它們，同時減少時鐘。這在系統(tǒng)層面帶來了很多好處，包括減少對電力的需求。” CUBE 目前處于原型階段，但預(yù)計將于 2024 年第四季度或 2025 年初投入生產(chǎn)。

結(jié)論

SRAM 被完全取代，這似乎不太可能，至少在短期內(nèi)是這樣?！皫啄昵埃⑻貭栄菔玖耸褂描F電存儲器作為緩存，”O(jiān)bjective Analysis 總經(jīng)理吉姆·漢迪 (Jim Handy) 說?！八麄冋f這是 DRAM，但說實話，這是 FRAM。他們表示，優(yōu)勢在于他們能夠使用3D NAND技術(shù)使其變得非常緊密。換句話說，他們展示了一個擁有大量內(nèi)存的微小空間。其中一種類型的研究工作（無論是像英特爾所展示的那樣還是 MRAM 等其他方法）很可能最終會取代 SRAM 的位置，但這可能不會很快發(fā)生。”

Handy 預(yù)計它會導(dǎo)致架構(gòu)和操作系統(tǒng)軟件發(fā)生變化。“你不太可能看到同一個處理器同時具有 SRAM 緩存和鐵電緩存，因為軟件必須進(jìn)行一些更改才能利用這一點(diǎn)，”他說?！按送?，緩存的結(jié)構(gòu)將略有不同。主緩存可能會稍微縮小，而輔助緩存可能會變得非常大。在某個時候，具有 SRAM 緩存的處理器將會問世。下一代處理器將具有鐵電或 MRAM 緩存或類似的東西，并對軟件進(jìn)行重大更改以使該配置更好地工作?！?/p>

審核編輯：劉清