Yarı iletken dünyasında pek çok şeyi olduğu gibi kabul ediyoruz, ancak ya onlarca yıl önce verilen kararlardan bazıları artık uygulanabilir veya optimal değilse? Düzlemsel transistörün artık ölçeklenmeyeceği finFET'lerle küçük bir örnek gördük. Bugün, çok daha büyük dalgalanma etkilerine sahip olacak birkaç büyük aksaklıkla karşı karşıyayız.

Teknoloji genellikle doğrusal bir şekilde ilerler. Her adım, daha önce var olanlar üzerinde veya bazı yeni zorlukların üstesinden gelmek için aşamalı iyileştirme sağlar. Bu zorluklar yeni bir düğümden, yeni fiziksel etkiden veya sınırlamadan vb. gelir. Bu çok iyi çalışsa ve bireysel adımların çoğu harika olsa da, temelde bir şey temelde olacaksa, bir kart evini inşa ediyor. tasarım, uygulama ve doğrulama boyunca dalgalanma etkileri çok önemli olabilir.

Tek bitişik bellek
Bu değişikliklerden biri bir süredir iş başında. bu von Neumann işlemci mimarisiİlk olarak 1945'te tanımlanan tek sürekli bellek alanı ile mutlak bir atılımdı. Herhangi bir sonlu sorunun çözülebileceği bir Turing-tam çözüm sağladı. Bu, neredeyse tüm bilgisayarlar için fiili mimari haline geldi.

Bellek, hem boyut hem de performans açısından hızla bir sınırlama haline geldi. Bunun üstesinden gelmek için, ucuz, toplu belleğin çok daha pahalı, daha hızlı bellek gibi davranmasını sağlamak için önbellek tanıtıldı. Zamanla, bu önbellekler çok düzeyli, birden çok ana öğe arasında tutarlı hale geldi ve giderek daha büyük adres alanları üzerinde çalıştı.

Ancak bu artık birçok modern hesaplama işlevi için bir gereklilik değildir. Nesne tabanlı yazılım işlevleri ve alana özgü bilgi işlem çağında, bu bellek organizasyonuna duyulan ihtiyaç zararlı olabilir. Bir programın kesinlikle istediği her şeye rastgele erişebileceği öncülüne dayanır - güvenlik uzmanlarının dilediği bir şey doğru değil.

Tam önbellek ve tutarlılık maliyeti tamamen dikkate alınmalıdır. Şirketin kurucusu ve CEO'su Simon Davidmann, "Silikonda tutarlılığı uygulamak karmaşık ve pahalıdır" diyor. Imperas Yazılımı. "Çok düzeyli önbelleğe almaya gittiğinizde, bellek hiyerarşisi giderek daha karmaşık hale gelir ve giderek daha fazla hatayla dolar ve artan miktarda güç tüketir."

Görevler iyi anlaşıldığında, bu ek yükten kaçınılabilir. "Bir veri akışı motorunda tutarlılık daha az önemlidir, çünkü uçta hareket eden verileri doğrudan bir hızlandırıcıdan diğerine gönderiyorsunuz" diyor. arter IP'si. "Veri kümesini bölümlere ayırırsanız, tutarlılık devreye girer, çünkü bu size fazladan döngülere mal olur. Arama tablolarını kullanmanız gerekir. Güncelleme bilgilerini sağlamanız gerekiyor.”

Nesne yönelimli sistemlerin benimsenmesi, tür dönüştürmeyi kısıtlayan ve programcılara getirilen birkaç kısıtlamayı kısıtlayan güçlü bir şekilde yazılmış dillerle birlikte yürütme akışını tahmin edilebilir hale getirebilir ve tek, bitişik bir bellek alanı ihtiyacını ortadan kaldırabilir. Grafiklerde ve makine öğreniminde bulunanlar gibi görevler, sınırlı bellek blokları üzerinde çalışır ve karmaşık bellek yönetiminden veya bellek üzerinde donanım kontrolünden faydalanmaz.

Alana özgü hesaplama, bunun birçok yönünün yeniden düşünülmesine neden oluyor. "Örnek olarak, DSP'ler genellikle doğrudan yazılımda yönetilen bir dağıtılmış bellek havuzu sağlama eğilimindedir," diyor kıdemli baş araştırma mühendisi Matt Horsnell. Silâh Araştırma ve Geliştirme grubu. “Bu, geleneksel paylaşılan bellek sistemlerinden ziyade bant genişliği gereksinimleri ve özel uygulamaların erişim kalıpları için daha uygun olabilir. Bu işlemciler genellikle belirli erişim kalıpları (örneğin, N-arabelleğe alma, FIFO'lar, hat arabellekleri, sıkıştırma, vb.) için doğrudan destek sağlayarak bir tür bellek uzmanlığı sunar.

Yeni bellek türleri
Bellek mimarisini değiştirmeyle ilgili çok büyük sonuçlar var. "Zorluk, geçmişte insanların bilgi işlem sistemleri hakkında düşünmek için güzel bir soyut modele sahip olmalarıydı" diyor. Rambus. “Asla hafıza hakkında düşünmek zorunda kalmadılar. Ücretsiz olarak geldi ve programlama modeli öyle bir hale getirdi ki, hafızaya atıfta bulunduğunuzda, sadece oldu. Yaptığın şey hakkında asla açık olmak zorunda değilsin. Moore Yasası'nın yavaşlaması ve güç ölçeklendirmesinin durmasıyla ne olmaya başladı, insanlar denkleme girebilecek birçok yeni tür hatıra olduğunu fark etmeye başladılar. Ama onları gerçekten kullanışlı hale getirmek için eskiden sahip olduğumuz çok soyut görüşten kurtulmanız gerekiyor.”

İkinci ve ilgili değişim, yeni bellek teknolojileri yoluyla geliyor. SRAM ve DRAM, uzun süredir hız, yoğunluk ve performans için optimize edilmiştir. Ancak DRAM ölçeklemesi durdu ve SRAM, en yeni düğümlerdeki değişkenlikten muzdarip, bu da yoğunluğu korumayı zorlaştırıyor. Farklı fiziğe dayalı yeni bellek türleri daha iyi olabilir, ancak bu muhtemelen birincil fayda değildir.

Örneğin, Yeniden RAM kabul edildiğinde, bellek hücreleri doğal olarak analog hale gelir ve bu, bir dizi olasılık açar. Mythic'te ürün ve iş geliştirmeden sorumlu kıdemli başkan yardımcısı Tim Vehling, "Analoğun temel fikirlerinden biri, aslında bellek hücresinin kendisinde hesaplama yapabilmenizdir" diyor. “Aslında tüm bu hafıza hareketi sorununu ortadan kaldırıyorsunuz ve bu nedenle güç önemli ölçüde düşüyor. Analog devreye girdiğinde verimli hesaplama ve az veri hareketine sahipsiniz. Analog bellekte bilgi işlem teknolojisiyle, aslında dijital eşdeğerinden çok daha fazla güç verimli."

Bu, makine öğreniminin gerektirdiği çarpma/biriktirme işlevleriyle mükemmel uyum sağlar. Ürün müdürü Sumit Vishwakarma, "Bu MAC işlemlerini gerçekleştirirken tüketilen enerji miktarı çok büyük" diyor. Siemens EDA. "Sinir ağlarının ağırlıkları vardır ve bu ağırlıklar hafızada kalır. Çok enerji tüketen bir görev olan belleğe erişmeye devam etmeleri gerekiyor. Hesaplamanın gücü, verileri aktarmak için gereken gücün onda biridir. Bu sorunu çözmek için şirketler ve üniversiteler, ağırlıkları bellekte depolayan analog hesaplamayı araştırıyorlar. Şimdi sadece bazı girdileri beslemem ve temelde bu ağırlıkların girdilerimle çarpımı olan bir çıktı almam gerekiyor.”

Analog ve dijital ayrıştırıldığında, analog devreler artık gergin değildir. Semtech'in Signal Integrity Solutions Group pazarlama ve uygulamalardan sorumlu başkan yardımcısı Tim Vang, “Bazı durumlarda dijitalden eşdeğer veya daha iyi işlevler sağlayan analog devreler tasarlayabiliriz ve bunu daha eski düğümlerde yapabiliriz” diyor. “Tüm dijital fonksiyonlara ihtiyacımız olmadığı için maliyet daha düşük olabilir, bu nedenle kalıp boyutları daha küçük olabilir. Gücü azaltabiliriz çünkü çok fazla işlevselliğe sahip değiliz.”

Bellek değiştiğinde, yazılım yığınındaki her şey etkilenir. Ürün pazarlama müdürü Prasad Saggurti, "Genellikle olan şey, yerinde bir algoritma olması ve algoritmanın çok daha iyi uygulanabilmesi için onu optimize etmenin, belleği optimize etmenin bir yolunu görüyoruz" diyor. Synopsus. "Filip tarafında, bu farklı bellek türlerine sahibiz. Bu yeni anı türlerinden yararlanmak için algoritmanızı değiştirebilir misiniz? Geçmişte, TCAM'leri kullanmak, çoğunlukla IP adreslerini aramak için bir ağ etki alanı yapısıydı. Daha yakın zamanlarda, makine öğrenimi eğitim motorları TCAM'leri kullanmaya başlıyor. Bunun, mevcut bellek türlerine bağlı olarak değişmesi için yazılıma veya bellenime ihtiyacı var.”

CMOS'un sonu
Ancak ufuktaki en büyük potansiyel değişiklik, CMOS'un sonu. Cihazlar küçüldükçe doping kontrolü zorlaşır ve bu, cihazların eşik voltajında ​​önemli değişkenliğe neden olur. Doping, bir cihazın PMOS veya NMOS olması gibi bir cihazın polaritesini tanımlar ve oluşturulan tüm dijital fonksiyonların temeli olan CMOS yapılarını oluşturan bunların eşleşmesidir. Endüstri, çok yönlü finFET yapılarına doğru göç ettikçe, yeni bir olasılık ortaya çıkıyor.

École Polytechnique Fédérale de Lausanne'de elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi profesörü Giovanni De Micheli, DAC 2022 açılış konuşmasında, "Yatay olarak yığılmış nanotellerle, aslında iki kapılı transistörler oluşturabilirsiniz" dedi. “Transistörü polarize etmek ve transistörü P veya N transistörü yapmak için ikinci bir kapı kullanıyorsunuz (bkz. şekil 1). Anahtar yerine karşılaştırıcı oluşturduğu için daha güçlü bir transistör elde edersiniz. Artık bu tür cihazlarla tamamen yeni topolojilere sahip olabilirsiniz.”

Şekil 1. Bir GAA polarite kapısının 3-D kavramsal görünümü. Kaynak: Michele De Marchi tezi, EPFL, 2015

Bu, teoride, polarite kapısını ikiye bölerek daha da ileri götürülebilir. Bu, her transistörün p tipi veya n tipi olmasının yanı sıra yüksek veya düşük eşikli voltaj cihazları olma yeteneğini de ekleyecektir. Böylece her transistör çalışma sırasında farklı güç/performans özellikleri alabilir.

Mantık soyutlamasına geri dönelim. De Micheli, "On yıllardır NAND'ler ve NOR'larla dijital devreler tasarladık" diyor. "Neden? Çünkü başladığımızda beynimiz yıkandı, çünkü CMOS'ta en uygun uygulama bu. Ancak çoğunluk mantığı açısından düşünürseniz (bakınız şekil 2), bunun toplama ve çarpma işlemlerini yapan anahtar operatör olduğunu anlarsınız. Bugün, makine öğrenmesi için uyguladığımız tüm devreler, oradaki ekmek ve tereyağı, toplama veya çarpma yapmak içindir. İşte bu yüzden çoğunluk son derece önemlidir. Ayrıca çoğunluk mantığı, süperiletkenler, optik teknoloji, bellekte kalıcı mantık vb. gibi birçok teknoloji için doğal bir modeldir.”

Şekil 2. Polarite kapısı cihazlarına dayalı yeni mantık elemanları. Kaynak: De Micheli/EPFL

De Micheli'nin araştırması, çoğunluk mantığıyla tasarlanan devrelerin, günümüzün biraz değiştirilmiş EDA araçlarını kullanarak gecikmeleri %15 ila %20 oranında azaltacağını gösteriyor.

Ancak bu tür değişiklikler, sentezin ve diğer adımların önemli ölçüde yeniden düşünülmesini gerektirir. Synopsys teknoloji stratejisti Rob Aitken, "Bunun umut verici bir vektör olduğu ortaya çıkarsa, sentez motorunu gerçekten tamamen yeniden düşünmeniz gerekir" diyor. "NAND/NOR devrelerini etkili bir şekilde almak ve bundan bir şeyler inşa etmek yerine, yeni cihazların çoğu doğal olarak XOR'lar veya çoğunluk kapıları veya başka bir mantık işlevi olacak şekilde ayarlanacaktır. Ne olurdu? Sentez, inşa ettiğiniz temel şeyle ilgilenir ve aşırı basitleştirme olsa da, mantık sentezi bir PLA alır ve ardından onu çok seviyeli bir nesneye daraltır. Farklı bir mantık tarzında yeniden düşünmek önemlidir.”

Temel transistör işlevselliğinin değiştirilmesi, akışın birçok yönü üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Örneğin, cihazların artık üç yerine dört veya beş terminale sahip olmasıyla, bunun yer ve rota üzerinde ne etkisi olacak? Giriş ve çıkışları ve tıkanıklığı nasıl etkileyecek?

Sonuç
Değişim zordur. Gelecek vaat eden bir teknoloji, yerleşik teknolojinin onlarca yıllık optimizasyonunun üstesinden gelmek zorundadır ve bu, büyük atalet zorlukları yaratır. Ayrıca, donanım ve yazılım gibi bir çözümün birçok parçasının veya bir uygulama zinciri boyunca araçlar gibi birçok parçasının aynı anda değişmesini gerektirebilir. Ancak endüstri, yarı iletkenlerin bazı temel fiziksel sınırlarına yaklaştıkça, daha esnek ve değişime istekli hale gelmesi gerekiyor.

İlgili Okuma
Bellek Verimliliğini ve Performansını Artırma
CXL ve OMI, bellek paylaşımını ve havuzlamayı kolaylaştıracaktır, ancak ne kadar iyi ve nerede en iyi çalıştıkları tartışmalıdır.
CXL ve OMI: Rakip mi, Tamamlayıcı mı?
Kime sorduğunuza bağlı, ancak her ikisinin de avantajları var.
OEM'ler Odak Noktalarını Daraldıkça IC Mimarileri Değişiyor
Çip şirketleri tasarımları özelleştirdikçe, olası tuzakların sayısı artıyor. Daha sıkı ortaklıklar ve satın almalar yardımcı olabilir.