Почему процессоры становятся все меньше и меньше?

19

Это известный факт, что со временем процессоры (или чипы) становятся все меньше и меньше. Intel и AMD борются за наименьшие стандарты (45 нм, 32 нм, 18 нм, ..). Но почему так важно иметь наименьшие элементы на наименьшей площади чипа?

Почему бы не сделать 90 нм процессор 5х5 см? Зачем втиснуть 6 ядер в область размером 216 мм2? Отражать тепло от большей площади будет легче, для производства потребуется менее точная (и, следовательно, более дешевая) технология.

Я могу придумать несколько причин:

меньший размер означает, что на одной пластине может быть сделано больше чипов (но пластины не очень дороги, верно?)
меньшие размеры важны для мобильных гаджетов (но повседневные ПК все еще используют вышки)
малый размер определяется пределом скорости света, чип не может быть больше расстояния, которое электромагнитное поле может пройти за 1 цикл (но это примерно несколько см при 3 ГГц)

Итак, почему чипы должны становиться все меньше и меньше?

cpu integrated-circuit

— Кромстер говорит, что поддерживает Монику
источник

3

больше закон? :)

— Кенни

в большинстве случаев конечный размер упаковки, который имеет значение для ее установки в мобильном телефоне, определяется типом упаковки и количеством выводов. Другими словами, фактический размер матрицы, как правило, намного меньше, чем указывал бы пакет, даже для более крупных процессов. Упаковка - это значительная часть стоимости изготовления ИС с большим количеством выводов, намного больше, чем вы думаете, а иногда и больше, чем изготовление реальной матрицы.

— Марк

@Mark - Производители сотовых телефонов хотят все больше и больше CSP (Chip Scale Packages), размер которых практически равен размеру матрицы. Вы вряд ли сможете оправдать такие пакеты, как TQFP в смартфонах, они слишком неэффективны в пространстве.

— Стивенвх

@stevenvh Я думаю, что мы сказали то же самое: выбор упаковки и объединение нескольких чипов в одну упаковку для уменьшения количества выводов и потребностей внешних компонентов в первую очередь способствуют миниатюризации микросхем для использования в сотовых телефонах. Размер процесса, как правило, не является ограничивающим фактором, особенно в устройствах с большим количеством выводов.

— Марк

8

Чтобы было ясно, процессоры на самом деле не становятся меньше. Они остаются примерно одинакового размера, но содержат все больше и больше транзисторов, потому что размер каждого транзистора уменьшается.

— Дэвид Шварц

34

Это как конфеты. Они продолжают делать их меньше по той же цене, чтобы увеличить прибыль.

Хотя серьёзно, есть веские причины для чипов меньшего размера. Прежде всего, на пластине можно разместить больше фишек. Для больших чипов стоимость зависит от того, какую долю вафли она использует. Стоимость обработки пластины в значительной степени фиксирована, независимо от того, сколько чипов получается в результате.

Использование меньшего количества дорогой пластины - только одна часть. Урожай другой. Все вафли имеют недостатки. Думайте о них как о маленьких, но случайно разбросанных по пластине, и любая микросхема, которая поражает одно из этих несовершенств, является мусором. Когда пластина покрыта множеством маленьких микросхем, только небольшая часть от общего количества мусора. По мере увеличения размера микросхемы доля тех, кто достиг несовершенства, увеличивается. В качестве нереального примера, который, тем не менее, указывает на проблему, рассмотрим случай, когда каждая пластина имеет одно несовершенство и покрыта одной ИС. Выход был бы 0. Если бы он был покрыт 100 IC, выход был бы 99%.

Урожай намного больше, чем этот, и это сильно упрощает проблему, но эти два эффекта действительно способствуют тому, чтобы меньшие чипы были более экономичными.

Для действительно простых микросхем доминирует стоимость упаковки и тестирования. В этих случаях размер функций - не столько проблема вождения. Это также одна из причин того, что в последнее время мы наблюдаем взрыв более мелких и более дешевых упаковок. Обратите внимание, что чрезвычайно малый размер функций определяется очень большими микросхемами, такими как основные процессоры и графические процессоры.

— Олин Латроп
источник

17

Кроме того, силиконовый слиток является круглым, поэтому вы теряете больше фишек на пластину по мере их увеличения, т.е. Вы можете поместить более мелкие квадратные фишки в круг.

— Мартин

2

+1 @ Мартин, не говоря уже о том, что по краям пластины у нас много сбоев устройств.

— Кенни

1

@endolith: подумайте, как работает улучшение зоны. Круглое сечение является оптимальной формой для этого.

— Олин Латроп

1

Отверстия вокруг края могут быть заполнены меньшими кубиками тогда и только тогда, когда структура (легирование подложки, транзисторные технологии, количество слоев металлизации и т. Д.) Одинакова для больших и меньших кубиков. Кроме того, нормы производства для этих двух устройств становятся связанными и могут не совпадать с нормой спроса для двух разных частей. Таким образом, это редко, когда вы можете избежать этого трюка.

— Майк ДеСимоне

7

Пластина должна быть круглой из-за производственного процесса. Для создания монокристалла кремния стартовый кристалл погружают в ванну с расплавленным легированным кремнием и медленно извлекают при вращении кристалла. Точный контроль скорости вращения и извлечения определяет как диаметр кристалла, так и предотвращает образование поликристаллических дефектов. Диаметр и длина также ограничены механическими соображениями, т. Е. Сколько вы можете потянуть, прежде чем он сломается и упадет обратно. После этого его нарезают на пластины и полируют.

— Майк ДеСимоне

21

По мере уменьшения размера процесса потребление энергии уменьшается.

Меньшие транзисторные процессы позволяют использовать более низкие напряжения в сочетании с усовершенствованиями в технологии конструирования, что означает, что процессор ~ 45 нм может использовать меньше половины мощности, которую процессор 90 нм использует с аналогичным количеством транзисторов.

Причина этого заключается в том, что по мере уменьшения затвора транзистора пороговое напряжение и емкость затвора (требуемый ток возбуждения) становятся ниже.

Следует отметить, что, как отметил Олин, этот уровень улучшения не распространяется на меньшие размеры процесса, поскольку ток утечки становится очень важным.

Одна из ваших других точек, скорость, с которой сигналы могут распространяться вокруг чипа:

При 3 ГГц длина волны составляет 10 см, однако 1/10 длины волны составляет 1 см, и это то место, с которого нужно начинать учитывать эффекты линии передачи для цифровых сигналов. Кроме того, помните, что в случае процессоров Intel некоторые части чипа работают с удвоенной тактовой частотой, поэтому 0,5 см становится важным расстоянием для эффектов линии передачи. ПРИМЕЧАНИЕ: в этом случае они могут работать на обоих фронтах тактовой частоты, то есть тактовая частота не работает на частоте 6 ГГц, но некоторые происходящие процессы перемещают данные так быстро и должны учитывать эффекты.

Вне эффектов линии передачи вы также должны учитывать синхронизацию часов. Я на самом деле не знаю, какая скорость распространения внутри микропроцессора, для неэкранированной медной проволоки она равна 95% скорости света, а для коаксиального кабеля - 60% скорости света.

При частоте 6 ГГц тактовый интервал составляет всего 167 пикосекунд, поэтому максимальное / низкое время составляет ~ 84 пикосекунды. В вакууме свет может перемещаться на 1 см за 33,3 пикоса. Если скорость распространения составляла 50% от скорости света, то она больше, чем 66,6 пикосекунды, чтобы пройти 1 см. Это в сочетании с задержками распространения транзисторов и, возможно, других компонентов означает, что время, которое требуется сигналу для перемещения даже по маленькой матрице с частотой 3-6 ГГц, является значительным для поддержания правильной синхронизации часов.

— отметка
источник

4

Мощность снижается с размером элемента до точки. Более низкие напряжения переключения делают соотношение полевых транзисторов включенным и выключенным. Это означает, что имеет место значительная утечка в отключенном состоянии, чтобы получить достаточно низкий импеданс состояния. В результате мощность утечки составляет значительную долю мощности, необходимой для работы некоторых современных процессоров. Мощность по-прежнему увеличивается с тактовой частотой, но максимальная тактовая частота ограничена всегда присутствующей субтантальной мощностью утечки. В современных процессорах есть много интересных компромиссов, и баланс между ними быстро меняется.

— Олин Латроп

1

Ваш свет в десять раз быстрее: 3,33 × 10 ^ -12 с × 3 × 10 ^ 8 м / с = 10 ^ -3 м = 1 мм.

— звездный синий

@ Олин Латроп Согласен, в самых последних поколениях утечка является основным ограничителем. Я в основном ссылался на переход от 90 нм до 45 нм, который имеет почти линейное снижение мощности. Эта линейность не существует под 45 нм, как вы сказали.

— Марк

5

Основная причина - первая, которую вы упомянули. Вафли (то, что вы называете тарелками) очень дороги, поэтому вы хотите получить от них максимум. Раньше пластины были диаметром 3 дюйма, а сегодня - 12 дюймов, что, очевидно, не только дает вам в 16 раз больше недвижимости, но и позволяет получить от них еще больше штампов.
Таким образом, ясно, что они будут использовать эту технологию также для процессоров, используемых в настольных ПК, даже если она не выглядит необходимой там. И не забывайте, что ноутбуки также имеют такие процессоры, и они ограничены в бюджете, что касается пространства.
Скорость также является проблемой, при 3 ГГц сигналы распространяются менее чем на 10 см за такт. Как правило, из 1/10 этого мы должны позаботиться об эффектах линии передачи. И это менее 1 см.

Изменить
меньший размер элемента также означает меньшую емкость затвора, что позволяет повысить скорость. Более быстрое переключение означает меньшее энергопотребление, так как МОП-транзисторы будут проходить быстрее через свою активную область. На практике производители используют это для ускорения работы часов, так что в итоге вы не увидите значительного снижения мощности.

— stevenvh
источник

2

300 000 000 метров / 3 000 000 000 Гц = 0,1 метра, то есть 10 см, верно?

— Кромстер говорит, что поддерживает Монику

3

Вафли дешевые, 100 $ за вафлю. То, что дорого, так это исследование - степперы могут обрабатывать максимум 120 пластин в час, и каждая пластина требует до 20 взрывов.

— BarsMonster

1

@BarsMonster не может разрушить вафлю? Сожалею! :)

— Кенни

1

@kenny Физическое повреждение вафли крайне маловероятно на современном заводе. Микроскопические дефекты - они всегда здесь.

— BarsMonster

2

@stevenvh: да, что сказал BarsMonster. Когда у вас есть машина для распыления на миллион долларов, и она обрабатывает сто тысяч (?) Пластин в течение своего срока службы, проще всего думать о ней и о других машинах на заводе как о части «общей стоимости на пластину». Доля «общей стоимости одной пластины», которая возникает при покупке немаскированных дисков из чистого кремния, практически невелика.

— Дэвидкари

0

ОСНОВНАЯ причина, по которой процессоры продолжают уменьшаться, заключается в том, что в вычислениях меньшие мощнее :

В первом приближении вычисление включает в себя два основных действия: передачу информации из одного места в другое и объединение потоков информации для получения новой информации. Поскольку мы привыкли использовать электронику здесь, давайте назовем аппаратное обеспечение для этих действий «проводами» и «переключателями». Для обоих из них лучше меньше:

Провода: Так как скорость передачи по проводам по существу постоянна, то, если вы хотите получить информацию из одного места (например, коммутатора) в другое, вы должны укоротить провод . (возможно, вам удастся достичь более высокой скорости, но в итоге вы достигнете предела скорости света, после чего вы вынуждены вернуться к сокращению).

Коммутаторы. Коммутатор работает по информации, поступающей от одного или нескольких входных проводов, которые входят в корпус коммутатора и заполняют его, вызывая преобразование его внутреннего состояния для модуляции информации на одном или нескольких выходных проводах. Просто требуется меньше времени, чтобы заполнить корпус меньшего переключателя.

— PMar
источник