Dlaczego procesory stają się coraz mniejsze?

Wiadomo, że z czasem procesory (lub układy scalone) stają się coraz mniejsze. Intel i AMD są w wyścigu o najmniejsze standardy (45 nm, 32 nm, 18 nm itp.). Ale dlaczego tak ważne jest, aby mieć najmniejsze elementy na najmniejszym obszarze wiórów?

Dlaczego nie zrobić procesora 90nm 5x5 cm? Po co ściskać 6 rdzeni w obszarze 216 mm2? Łatwiej będzie rozproszyć ciepło z większego obszaru, produkcja będzie wymagała mniej precyzyjnej (a tym samym tańszej) technologii.

Mogę wymyślić kilka powodów:

• mniejszy rozmiar oznacza, że ​​na jednym waflu można zrobić więcej żetonów (ale wafle nie są bardzo drogie, prawda?)
• mniejsze rozmiary są ważne dla gadżetów mobilnych (ale codzienne komputery wciąż używają wieżyczek)
• mały rozmiar jest podyktowany ograniczeniem prędkości światła, układ nie może być większy niż odległość, jaką pole EM może pokonać w 1 cyklu (ale to około kilka cm przy 3GHz)

Dlaczego więc żetony muszą być coraz mniejsze?

To jak batoniki. Stale zmniejszają je w tej samej cenie, aby zwiększyć zysk.

Poważnie, istnieją dobre powody dla mniejszych żetonów. Przede wszystkim najważniejsze jest to, że na waflu można zmieścić więcej żetonów. W przypadku dużych żetonów koszt zależy od tego, jakiej części wafla używa. Koszt przetworzenia wafla jest prawie stały, niezależnie od tego, ile z niego wynika.

Jednak użycie mniej drogiego wafla to tylko jedna część. Wydajność jest inna. Wszystkie płytki mają niedoskonałości. Pomyśl o nich jako o małych, ale losowo rozrzuconych o opłatku, a każdy IC, który trafi w jedną z tych niedoskonałości, to śmieci. Gdy wafel jest pokryty dużą ilością małych układów scalonych, tylko niewielka część całości to śmieci. Wraz ze wzrostem wielkości układu scalonego rośnie ułamek tych, które uderzyły w niedoskonałość. Jako nierealny przykład, który mimo to wskazuje na problem, rozważ przypadek, w którym każdy opłatek ma jedną niedoskonałość i jest objęty jednym układem scalonym. Wydajność wynosiłaby 0. Gdyby była objęta 100 wartościami IC, wydajność wyniósłaby 99%.

Jest o wiele więcej do zaoferowania niż to, co znacznie upraszcza ten problem, ale te dwa efekty powodują, że mniejsze żetony są bardziej ekonomiczne.

W przypadku naprawdę prostych układów scalonych dominują koszty pakowania i testowania. W takich przypadkach rozmiar funkcji nie stanowi tak dużego problemu z prowadzeniem pojazdu. Jest to również jeden z powodów, dla których ostatnio nastąpiła eksplozja mniejszych i tańszych paczek. Zauważ, że bardzo małe rozmiary są wypychane przez bardzo duże układy scalone, takie jak główne procesory i procesory graficzne.

Gdy rozmiar procesu zmniejsza się, zużycie energii maleje.

Mniejsze procesy tranzystorowe pozwalają na zastosowanie niższych napięć w połączeniu z udoskonaleniem techniki konstrukcyjnej, co oznacza, że ​​procesor ~ 45 nm może zużywać mniej niż połowę mocy, jaką procesor 90 nm wykorzystuje przy podobnych liczbach tranzystorów.

Powodem tego jest to, że wraz ze zmniejszaniem się bramki tranzystorowej napięcie progowe i pojemność bramki (wymagany prąd napędowy) maleją.

Należy zauważyć, że jak zauważył Olin, ten poziom poprawy nie ogranicza się do mniejszych rozmiarów procesu, ponieważ prąd upływowy staje się bardzo ważny.

Jednym z twoich innych punktów jest prędkość, z jaką sygnały mogą przemieszczać się po układzie:

Przy 3 ghz długość fali wynosi 10 cm, jednak 1/10-ta długość fali wynosi 1 cm, od czego musisz zacząć rozważać efekty linii transmisyjnej dla sygnałów cyfrowych. Dodatkowo pamiętaj, że w przypadku procesorów Intel niektóre części układu pracują z dwukrotnie większą prędkością zegara, więc 0,5 cm staje się ważną odległością dla efektów linii transmisyjnej. UWAGA: w tym przypadku mogą działać na obu krawędziach zegara, co oznacza, że ​​zegar nie działa z częstotliwością 6 GHz, ale niektóre trwające procesy przenoszą dane tak szybko i muszą wziąć pod uwagę skutki.

Poza efektami linii transmisyjnej musisz również wziąć pod uwagę synchronizację zegara. W rzeczywistości nie wiem, jaka jest prędkość propagacji wewnątrz mikroprocesora, dla nieekranowanego drutu miedzianego wynosi on 95% prędkości światła, ale dla koncentrycznego jest to 60% prędkości światła.

Przy 6 Ghz okres zegarowy wynosi tylko 167 pikosekund, więc tak wysoki / niski czas wynosi ~ 84 pikosekund. W próżni światło może przemieszczać się 1 cm w 33,3 pikosendach. Jeśli prędkość propagacji wynosiła 50% prędkości światła, to bardziej jak 66,6 pikosekund do przebycia 1 cm. To w połączeniu z opóźnieniami propagacji tranzystorów i ewentualnie innych komponentów oznacza, że ​​czas potrzebny do poruszania się nawet po małej matrycy o częstotliwości 3-6 Ghz jest znaczący dla utrzymania właściwej synchronizacji zegara.

Głównym powodem jest pierwszy, o którym wspomniałeś. Wafle (tak zwane talerze) są bardzo drogie, więc chcesz uzyskać jak najwięcej z nich. Wcześniej wafle miały 3 cale średnicy, dziś 12 cali, co daje nie tylko 16 razy więcej nieruchomości, oczywiście, ale dostajesz z nich jeszcze więcej matryc.
Jest więc jasne, że zastosowaliby tę technologię również w przypadku procesorów używanych w komputerach typu tower, nawet jeśli nie wygląda na to, żeby była tam potrzebna. I nie zapominaj, że laptopy mają również tego rodzaju procesory i mają ograniczony budżet, jeśli chodzi o przestrzeń.
Problemem jest również prędkość, przy 3 GHz sygnały podróżują mniej niż 10 cm na cykl zegara. Z reguły od 1/10 tego musimy zadbać o efekty linii transmisyjnej. A to mniej niż 1 cm.

edytuj
Mniejszy rozmiar elementu oznacza również mniejszą pojemność bramki, a to pozwala na większą prędkość. Szybsze przełączanie oznacza mniejsze zużycie energii, ponieważ tranzystory MOSFET będą szybciej przechodzić przez aktywny region. W praktyce producenci wykorzystują to do szybszego taktowania, aby ostatecznie nie zobaczyć zbyt wiele tej redukcji mocy.

Głównym powodem, dla którego procesory stają się coraz mniejsze, jest po prostu to, że w obliczeniach mniejsze są bardziej wydajne :

W pierwszym przybliżeniu obliczenia obejmują dwa podstawowe działania: przesyłanie informacji z jednego miejsca do drugiego oraz łączenie łańcuchów informacji w celu uzyskania nowych informacji. Ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do używania tutaj elektroniki, nazwijmy sprzęt dla tych działań „drutami” i „przełącznikami”. W obu przypadkach mniejsze jest lepsze:

Przewody: Ponieważ prędkość transmisji na przewodzie jest zasadniczo stała, więc jeśli chcesz uzyskać informacje z jednego miejsca (np. Przełącznika) do drugiego, musisz skrócić przewód . (możesz być w stanie osiągnąć większą prędkość, ale ostatecznie osiągniesz limit prędkości światła, w którym to momencie jesteś zmuszony wrócić do skrócenia).

Przełączniki: Przełącznik działa na podstawie informacji z jednego lub większej liczby przewodów wejściowych wchodzących i wypełniających korpus przełącznika, powodując transformację jego stanu wewnętrznego w celu modulowania informacji na jednym lub większej liczbie przewodów wyjściowych. Po prostu zajmuje mniej czasu, aby wypełnić korpus mniejszego przełącznika.