Perché le CPU diventano sempre più piccole?

È noto che nel tempo i processori (o i chip) stanno diventando sempre più piccoli. Intel e AMD sono in corsa per gli standard più piccoli (45nm, 32nm, 18nm, ..). Ma perché è così importante avere gli elementi più piccoli nell'area del chip più piccola?

Perché non realizzare una cpu da 90nm 5x5cm? Perché spremere 6 core in un'area di 216mm2? Sarà più facile dissipare il calore da un'area più ampia, la produzione richiederà una tecnologia meno precisa (e quindi più economica).

Posso pensare a pochi motivi:

• meno dimensioni significa che è possibile produrre più chip su un singolo wafer (ma i wafer non sono molto costosi, giusto?)
• le dimensioni più piccole sono importanti per i gadget mobili (ma i PC di tutti i giorni usano ancora i tower box)
• le dimensioni ridotte sono dettate dal limite di velocità della luce, il chip non può essere più grande della distanza che un campo EM può percorrere in 1 ciclo (ma è approssimativamente di diversi cm a 3GHz)

Quindi, perché i chip devono diventare sempre più piccoli?

È come caramelle. Continuano a renderli più piccoli allo stesso prezzo per aumentare i profitti.

Seriosly, ci sono buone ragioni per chip più piccoli. Il primo è che più chip possono essere inseriti in un wafer. Per i chip di grandi dimensioni, il costo dipende da quale frazione di wafer utilizza. Il costo per elaborare un wafer è praticamente fisso, indipendentemente da quanti chip ne derivano.

L'uso di un wafer costoso è solo una parte però. La resa è l'altra. Tutti i wafer hanno imperfezioni. Pensa a loro come piccoli ma casualmente sparsi per il wafer, e qualsiasi IC che colpisce una di queste imperfezioni è spazzatura. Quando il wafer è coperto da molti piccoli circuiti integrati, solo una piccola parte del totale è spazzatura. Man mano che le dimensioni dell'IC aumentano, aumenta la frazione di quelle che colpiscono un'imperfezione. Come esempio irreale che sottolinea comunque il problema, si consideri il caso in cui ogni wafer presenta un'imperfezione ed è coperto da un IC. Il rendimento sarebbe 0. Se fosse coperto da 100 CI, il rendimento sarebbe del 99%.

C'è molto di più da offrire di questo, e questo semplifica notevolmente il problema, ma questi due effetti spingono verso chip più piccoli che sono più economici.

Per circuiti integrati davvero semplici, il costo del packaging e dei test domina. In questi casi, la dimensione delle funzionalità non è tanto un problema di guida. Questo è anche uno dei motivi per cui recentemente abbiamo visto un'esplosione di pacchetti più piccoli ed economici. Si noti che dimensioni estremamente ridotte delle funzioni sono spinte da circuiti integrati molto grandi, come processori principali e GPU.

Man mano che le dimensioni del processo diminuiscono, il consumo di energia diminuisce.

Processi di transistor più piccoli consentono l'uso di tensioni più basse combinate con i miglioramenti nella tecnica di costruzione significano che un processore di ~ 45nm può usare meno della metà della potenza che un processore di 90nm usa con conteggi di transistor simili.

La ragione di ciò è che quando il gate del transistor si riduce, la tensione di soglia e la capacità del gate (corrente di azionamento richiesta) diminuiscono.

Va notato che, come sottolineato da Olin, questo livello di miglioramento non continua a dimensioni di processo inferiori poiché la corrente di dispersione diventa molto importante.

Uno dei tuoi altri punti, la velocità con cui i segnali possono viaggiare attorno al chip:

A 3ghz la lunghezza d'onda è di 10 cm, tuttavia la lunghezza d'onda 1/10 è di 1 cm ed è qui che è necessario iniziare a considerare gli effetti della linea di trasmissione per i segnali digitali. Inoltre, ricorda che nel caso dei processori Intel alcune parti del chip funzionano a una velocità doppia rispetto al clock, quindi 0,5 cm diventa la distanza importante per gli effetti della linea di trasmissione. NOTA: in questo caso potrebbero funzionare su entrambi i bordi dell'orologio, il che significa che l'orologio non funziona a 6 Ghz ma alcuni processi in corso spostano i dati così velocemente e devono considerare gli effetti.

Al di fuori degli effetti della linea di trasmissione, è necessario considerare anche la sincronizzazione dell'orologio. In realtà non so quale sia la velocità di propagazione all'interno di un microprocessore, per il filo di rame non schermato è come il 95% della velocità della luce, ma per il coassiale è come il 60% della velocità della luce.

A 6 Ghz il periodo di clock è di soli 167 picosecondi, il tempo così alto / basso è di ~ 84 picosecondi. Nel vuoto, la luce può viaggiare di 1 cm in 33,3 picosend. Se la velocità di propagazione era del 50% la velocità della luce, allora è più simile a 66,6 picosecondi a percorrere 1 cm. Ciò, combinato con i ritardi di propagazione dei transistor e possibilmente di altri componenti, significa che il tempo impiegato dal segnale per spostarsi anche in un piccolo die a 3-6 Ghz è significativo per mantenere una corretta sincronizzazione del clock.

Il motivo principale è il primo che hai citato. I wafer (quelli che chiamate piatti) sono molto costosi, quindi volete trarne il massimo. I wafer precedenti avevano un diametro di 3 pollici, quelli di oggi sono 12 pollici, il che non solo ti dà 16 volte più proprietà immobiliari, ovviamente, ma ne ottieni ancora di più.
Quindi è chiaro che utilizzerebbero questa tecnologia anche per le CPU utilizzate nei PC tower, anche se non sembra necessario lì. E non dimenticare che anche i PC portatili hanno questo tipo di CPU e hanno un budget limitato per quanto riguarda lo spazio.
Anche la velocità è una preoccupazione, a 3 GHz i segnali viaggiano meno di 10 cm per ciclo di clock. Come regola generale, da 1/10 di questo dobbiamo occuparci degli effetti della linea di trasmissione. E questo è meno di 1 cm.

modifica
Le dimensioni ridotte delle funzioni significano anche una capacità del gate inferiore e ciò consente una maggiore velocità. Una commutazione più rapida significa un consumo di energia inferiore, poiché i MOSFET andranno più velocemente attraverso la loro regione attiva. In pratica i produttori ne approfittano per un clock più veloce, in modo che alla fine non vedrai gran parte di questa riduzione di potenza.

Il motivo principale per cui le CPU continuano a ridursi è semplicemente che, nell'informatica, le dimensioni più piccole sono più potenti :

Per una prima approssimazione, il calcolo comporta due azioni di base: trasmissione di informazioni da un luogo a un altro e combinazione di fili di informazioni per produrre nuove informazioni. Dato che siamo abituati a usare l'elettronica qui, chiamiamo l'hardware per queste azioni "cavi" e "interruttori". Per entrambi, più piccolo è meglio:

Fili: poiché la velocità di trasmissione su un filo è essenzialmente costante, quindi se si desidera ottenere informazioni da un luogo (ad es. Passare a un altro), è necessario accorciare il filo . (potresti essere in grado di raggiungere una velocità maggiore, ma alla fine colpisci la velocità del limite di luce, a quel punto sei costretto a tornare indietro).

Interruttori: un interruttore funziona in base alle informazioni provenienti da uno o più fili di ingresso che entrano e penetrano nel corpo dell'interruttore, provocando la trasformazione del suo stato interno in modo da modulare le informazioni su uno o più fili di uscita. Ci vuole semplicemente meno tempo per soffocare il corpo di un interruttore più piccolo.