¿Por qué las CPU se vuelven cada vez más pequeñas?

Es un hecho conocido que con el tiempo los procesadores (o chips) son cada vez más pequeños. Intel y AMD están en una carrera por los estándares más pequeños (45 nm, 32 nm, 18 nm, ...). Pero, ¿por qué es tan importante tener los elementos más pequeños en el área de chip más pequeña?

¿Por qué no hacer una CPU de 90nm 5x5cm? ¿Por qué exprimir 6 núcleos en un área de 216 mm2? Será más fácil disipar el calor del área más grande, la fabricación requerirá una tecnología menos precisa (y por lo tanto más barata).

Se me ocurren algunas razones:

• menos tamaño significa que se pueden hacer más chips en una sola oblea (pero las obleas no son muy caras, ¿verdad?)
• los tamaños más pequeños son importantes para los dispositivos móviles (pero las PC cotidianas aún usan cajas de torre)
• el tamaño pequeño está dictado por el límite de velocidad de la luz, el chip no puede ser más grande que la distancia que puede recorrer un campo EM en 1 ciclo (pero eso es aproximadamente varios cm a 3GHz)

Entonces, ¿por qué los chips deben hacerse cada vez más pequeños?

Es como las barras de caramelo. Siguen haciéndolos más pequeños al mismo precio para aumentar las ganancias.

En serio, sin embargo, hay buenas razones para chips más pequeños. Lo primero y más importante es que se pueden colocar más chips en una oblea. Para chips grandes, el costo depende de qué fracción de una oblea usa. El costo de procesar una oblea es bastante fijo, independientemente de la cantidad de chips que resulten de ella.

Sin embargo, usar menos de la oblea cara es solo una parte. El rendimiento es el otro. Todas las obleas tienen imperfecciones. Piense en ellos como pequeños pero dispersos al azar sobre la oblea, y cualquier CI que golpee una de estas imperfecciones es basura. Cuando la oblea está cubierta por muchos circuitos integrados pequeños, solo una pequeña fracción del total es basura. A medida que aumenta el tamaño de IC, aumenta la fracción de ellos que golpean una imperfección. Como un ejemplo irreal que, sin embargo, señala el problema, considere el caso en el que cada oblea tiene una imperfección y está cubierta por un CI. El rendimiento sería 0. Si estuviera cubierto por 100 CI, el rendimiento sería del 99%.

Hay mucho más que producir que esto, y esto simplifica enormemente el problema, pero estos dos efectos empujan a que los chips más pequeños sean más económicos.

Para circuitos integrados realmente simples, el costo de empaque y prueba domina. En esos casos, el tamaño de las características no es tanto un problema de conducción. Esta es también una razón por la que hemos visto una explosión de paquetes más pequeños y más baratos últimamente. Tenga en cuenta que el tamaño extremo de las características pequeñas está siendo impulsado por circuitos integrados muy grandes, como los procesadores principales y las GPU.

A medida que el tamaño del proceso se reduce, el uso de energía disminuye.

Los procesos de transistores más pequeños permiten el uso de voltajes más bajos combinados con las mejoras en la técnica de construcción, lo que significa que un procesador de ~ 45 nm puede usar menos de la mitad de la potencia que usa un procesador de 90 nm con conteos de transistores similares.

La razón de esto es que a medida que la puerta del transistor se reduce, el voltaje umbral y la capacitancia de la puerta (corriente de accionamiento requerida) se reduce.

Cabe señalar que, como señaló Olin, este nivel de mejora no continúa a tamaños de proceso más pequeños, ya que la corriente de fuga se vuelve muy importante.

Uno de sus otros puntos, la velocidad a la que las señales pueden viajar alrededor del chip:

A 3ghz, la longitud de onda es de 10 cm, sin embargo, la longitud de onda 1/10 es de 1 cm, que es donde debe comenzar a considerar los efectos de la línea de transmisión para señales digitales. Además, recuerde que en el caso de los procesadores Intel, algunas partes del chip funcionan al doble de la velocidad del reloj, por lo que 0,5 cm se convierte en la distancia importante para los efectos de la línea de transmisión. NOTA: en este caso, pueden estar operando en ambos bordes del reloj, lo que significa que el reloj no funciona a 6 Ghz, pero algunos procesos en curso están moviendo datos tan rápido y tienen que considerar los efectos.

Fuera de los efectos de la línea de transmisión, también debe considerar la sincronización del reloj. En realidad, no sé cuál es la velocidad de propagación dentro de un microprocesador, para el cable de cobre sin blindaje es como el 95% de la velocidad de la luz, pero para el cable coaxial es como el 60% de la velocidad de la luz.

A 6Ghz, el período de reloj es de solo 167 picosegundos, el tiempo tan alto / bajo es de ~ 84 picosegundos. En el vacío, la luz puede viajar 1 cm en 33.3 picosendos. Si la velocidad de propagación fue del 50% de la velocidad de la luz, entonces es más como 66,6 picosegundos para viajar 1 cm. Esto, combinado con los retrasos de propagación de los transistores y posiblemente de otros componentes, significa que el tiempo que tarda la señal en moverse, incluso un troquel pequeño a 3-6Ghz, es significativo para mantener una sincronización de reloj adecuada.

La razón principal es la primera que mencionaste. Las obleas (lo que llama placas) son muy caras, por lo que desea aprovecharlas al máximo. Las obleas anteriores tenían 3 pulgadas de diámetro, las de hoy son de 12 pulgadas, lo que no solo le da 16 veces más bienes raíces, obviamente, sino que también obtiene más troqueles que eso.
Por lo tanto, está claro que usarían esta tecnología también para las CPU que se usan en las PC de torre, incluso si no parece que sea necesario allí. Y no olvide que las PC portátiles también tienen este tipo de CPU, y tienen un presupuesto limitado en lo que respecta al espacio.
La velocidad también es una preocupación, a 3 GHz las señales viajan menos de 10 cm por ciclo de reloj. Como regla general a partir del 1/10 de eso, tenemos que ocuparnos de los efectos de la línea de transmisión. Y eso es menos de 1 cm.

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Un tamaño de función más pequeño también significa menos capacitancia de puerta, y esto permite una mayor velocidad. La conmutación más rápida significa menos consumo de energía, ya que los MOSFET irán más rápido a través de su región activa. En la práctica, los fabricantes aprovechan esto para ver más rápido, de modo que al final no verá gran parte de esta reducción de potencia.

La razón principal por la que las CPU se vuelven cada vez más pequeñas es simplemente que, en informática, más pequeño es más poderoso :

Para una primera aproximación, el cálculo implica dos acciones básicas: transmitir información de un lugar a otro y combinar cadenas de información para producir nueva información. Como estamos acostumbrados a usar electrónica aquí, llamemos al hardware para estas acciones 'cables' e 'interruptores'. Para ambos, más pequeño es mejor:

Cables: Dado que la velocidad de transmisión en un cable es esencialmente constante, si desea obtener información de un lugar (por ejemplo, cambiar) a otro, debe acortar el cable . (es posible que pueda alcanzar una velocidad más rápida, pero eventualmente alcanza el límite de velocidad de la luz, en ese momento se ve obligado a volver a acortar).

Conmutadores: un conmutador funciona mediante la información de uno o más cables de entrada que entran y bañan el cuerpo del interruptor, lo que hace que su estado interno se transforme para modular la información en uno o más cables de salida. Simplemente lleva menos tiempo sumergir el cuerpo de un interruptor más pequeño.