靜態隨機儲存器SRAM面臨兩大問題挑戰

SRAM是可在任何CMOS工藝中“免費獲得”的儲存器。自CMOS誕生以來，SRAM一直是任何新CMOS工藝的開發和生產製造的技術驅動力。利用最新的所謂的“深度學習領域專用域結構”（DSA），每個晶片上的 數量已達到數百兆位。這導致了兩個具體挑戰。接下來由專注於代理銷售SRAM、SDRAM、 、Flash等儲存晶片的宇芯電子介紹關於SRAM兩大問題挑戰。
 
第一個挑戰是使用FinFET電晶體的最新CMOS技術使單元尺寸的效率越來越低。在圖1中可以看到這一點，其中SRAM單元大小是CMOS技術節點的函式。

 
圖1：過去30年中6電晶體SRAM單元尺寸的縮小趨勢。一旦FinFET電晶體成為CMOS的基礎，請注意減速。
 
平面到FinFET的過渡對SRAM單元的佈局效率有重大影響。使用FinFET逐漸縮小關鍵節距已導致SRAM單元尺寸的迅速減小。鑑於對更大的片上SRAM容量的需求不斷增長，這樣做的時機不會更糟。離SRAM將主導DSA處理器大小的局面並不遙遠。
 
第二個挑戰是從正電源透過SRAM單元流到地面的洩漏電流。這主要是由於亞閾值電晶體洩漏是指數啟用的，這意味著隨著晶片溫度的升高，洩漏急劇增加。由於它沒有做任何有用的工作，因此會浪費能源。儘管通常被稱為靜態功耗，但這種洩漏也會在SRAM處於活動使用狀態時發生，並形成能量浪費的下限。
 
已經採用了近20年的緩解技術來限制這種影響，最先進的技術是將SRAM電源電壓從其工作值降低到所謂的資料保持電壓（DRV）。最初此技術可將工作電源電壓下的漏電流降低5到10倍。隨著技術節點的發展，電源電壓不斷降低，工作電壓和DRV之間的淨空縮小了，從而導致使用該技術的漏電流降低了約2倍。

既然我們已經基本用盡了所有的洩漏緩解技術，那麼越來越大的SRAM容量將導致大量的浪費電流。如圖2所示，CPU晶片上的SRAM容量每18個月翻一番。

 
圖2：隨著片上SRAM容量的不斷增加，預計SRAM洩漏電流為50oC。結果是基於低於10nm CMOS的電晶體洩漏資料的模擬。
 
這兩個SRAM挑戰與不斷提高的片上快取記憶體儲存速度和容量的需求密不可分，從而帶來了成本和能源浪費方面的真正挑戰。這種需求來自移動和資料中心應用程式。由於電池壽命的限制，對能源效率的最終要求在前者中是顯而易見的，但在後者中也變得至關重要。
 
由於深度學習而產生的DSA晶片應該可以最佳化資料中心的效能，成本和能源。作為其一部分，要求它們的晶片將資料“晃動”到正向傳播的資料中，該傳播已針對針對矩陣/向量計算進行了最佳化的處理器進行。將結果資料與“目標”進行比較，然後將“錯誤資料”“拖拉”回記憶體以在下一個收斂週期中使用。除了通常需要每秒Tera浮點運算（TFLOPS）的處理器外，還需要越來越快的片上快取記憶體來處理這種巨大的資料移動。
 
在許多此類DSA晶片並行執行的環境中，例如資料中心，此過程的低效率將導致數千安培從主電源流向地面。所有這些浪費的大量洩漏自然會導致巨大的浪費成本。