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详析CPU和GPU的区别

lhl545545 来源:通向模拟集成电路设计师 作者:通向模拟集成电路 2020-06-18 10:45 次阅读

一个正常的40nm工艺,一个6T(6 transistors)的SRAM面积是150*0.04*0.04= 0.24um2/SRAM。所以如果我们需要一个1Mb的SRAM,面积是1M*0.24um2= 0.24mm2,也就是大概0.5mm*0.5mm。

前天项目周会的时候,一位同事一顿猛算,作者君当时就震惊了……哇撒,这些熟悉memory的人手算能力这么强啊!

本着对强者的仰慕,作者君去Google了一下memory的rule of thumb,发现还真的有这个类似的公式:

For instance the embedded DRAM cells presented in [45] for four different technology nodes – 180/130/90/65nm have areas in the range of 19–26F^2 where F is the feature size of the process. In contrast, a typical SRAM cell would have an area of about 120–150F^2.

所以说,那位同事的估算是差不多合理的。40nm的CMOS工艺,feature size是40nm,所以一个SRAM的面积大概就是120-150F^2,跟他算的是一样的。

呼呼,memory的面积居然都如此的标准,感觉很是羡慕呢!

话说回来了,为啥DRAM比SRAM的面积小很多呢?大家还记得以前VLSI课程里面,不同memory的电路图吗?要不这次就跟着作者君复习一下?

详析CPU和GPU的区别

(a) DRAM ; (b) SRAM

上面这个图里,左边是一个DRAM,就是一个transistor加上一个capacitor,结构相当简单。右图是一个SRAM,仔细一看,中间是交叉连接的两个inverter,组成了一个典型的latch。(在作者君看来,latch其实就是一个digital的capacitor),然后左右两个transistor当做了开关,功能和左图DRAM里面那个pass transistor差不多。

说到memory的面积,作者君昨天还跟一个做数字前端的朋友聊了聊。他说他们的SOC里面放了一个512MB的SRAM,12nm的工艺下,面积是400mm^2.

所以这个512MB的SRAM尺寸是20mm*20mm。真。土豪公司啊!

详析CPU和GPU的区别

SRAM vs. DRAM in Computers

这个表格里面,提到了CPU里面一般放的是SRAM,不是DRAM。SRAM用了positive feedback的latch,速度显然比类似于模拟电路(就是一个模拟的开关对电容充电)的DRAM要快很多。(大致上快了十倍以上)

但是,SRAM要6个transistor,DRAM才一个transistor,面积小了如此之多。如果需要很大的memory,DRAM在节约SOC成本这块是不是占优了呢?

等等,这两家伙是一样的process吗?

由于有个很特别的电容存在,而且这个电容需要有一定的阈值和一定的对抗漏电的能力,所以DRAM的工艺其实不是大家平常能够见到的传统logic process,而是有它自己特别的 DRAM process。目前也基本上只有三家公司提供DRAM的工艺:美光科技、三星和 SK 海力士。

Logic processes - those used for CPUs - are also more expensive. A logic wafer might cost $3500 vs $1600 for DRAM. Intel‘s logic wafers may cost as much $5k. That’s costly real estate.

当然,正是因为SRAM的成本压力,所以CPU上面一般也不会集成大的DRAM,而是把DRAM放在片外。CPU的内部,一般也只有SRAM作为cache,并不是主要的memory。

除此之外,现在还有一种所谓的Memory Hierarchy。就是一种类似金字塔形状的结构,最大程度的优化速度和成本。大家有兴趣的话,可以去搜一下不同类型的memory。

详析CPU和GPU的区别

最后,作者君再赶时髦谈到CPU和GPU的区别。有一张特别出名的图片:

详析CPU和GPU的区别

AI大行其道的今天,回过头来看看CPU和GPU的结构对比。再加深一下对DRAM和SRAM的区分,这张图很能说明一些东西。比如,CPU里面,cache是SRAM,占了相当多的面积,而在GPU里面,由于交互信息不如内部运算的负担大,大部分的面积都拿去做基本的计算了。所以在chip的成本类似的情况下(主要是die area大小差不多的情况),最后GPU的架构跟CPU还是很不一样的。
责任编辑:pj

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