Dlaczego procesory stają się coraz mniejsze?

19

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?

cpu integrated-circuit Kromster mówi, że popiera Monikę
źródło
3
więcej to prawo? :)
kenny
w większości przypadków ostateczny rozmiar opakowania, który ma znaczenie dla umieszczenia go w telefonie komórkowym, zależy od rodzaju opakowania i liczby pinów. Innymi słowy, rzeczywisty rozmiar matrycy jest ogólnie znacznie mniejszy niż wskazuje opakowanie, nawet w przypadku większych procesów. Opakowanie stanowi dużą część kosztu wytworzenia układu scalonego o wysokiej liczbie pinów, znacznie więcej niż mogłoby się wydawać, a czasem więcej niż wyprodukowanie samej matrycy.
Mark
@Mark - Producenci telefonów komórkowych chcą coraz więcej CSP (Chip Scale Packages), które są prawie tego samego rozmiaru co kostka. Trudno już uzasadnić pakiety takie jak TQFP w smartfonach, są one zbyt mało wydajne.
stevenvh
@stevenvh Myślę, że powiedzieliśmy to samo, wybór opakowania i kondensacja wielu układów scalonych w jednym pakiecie, aby zmniejszyć liczbę pinów, a potrzeby komponentów zewnętrznych są przede wszystkim motorem miniaturyzacji układów scalonych do użytku w telefonach komórkowych. Rozmiar procesu ogólnie nie jest czynnikiem ograniczającym, szczególnie w urządzeniach o dużej liczbie pinów.
Mark
8
Żeby było jasne, procesory faktycznie nie stają się mniejsze. Pozostają one mniej więcej tego samego rozmiaru, ale zawierają coraz więcej tranzystorów, ponieważ zmniejsza się rozmiar każdego tranzystora.
David Schwartz,

Odpowiedzi:

34

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.

Olin Lathrop
źródło
17
Również wlewek krzemu jest okrągły, więc tracisz więcej żetonów na wafel, gdy żetony stają się większe, tj. możesz dopasować więcej mniejszych kwadratowych żetonów do koła.
Martin
2
+1 @ Martin, nie wspominając już o tym, że na krawędzi wafla znaleziono wiele awarii urządzeń.
kenny
1
@endolith: Pomyśl o tym, jak działa zawężanie strefy. Okrągły przekrój jest do tego optymalnym kształtem.
Olin Lathrop
1
Otwory wokół krawędzi można wypełnić mniejszymi kostkami tylko wtedy, gdy struktura (domieszkowanie podłoża, technologie tranzystorowe, liczba warstw metalizacyjnych itp.) Jest taka sama zarówno dla większych, jak i mniejszych kostek. Ponadto stawki produkcyjne dla dwóch urządzeń zostają połączone i mogą nie być podobne do tempa zapotrzebowania dla dwóch różnych części. Dlatego rzadko zdarza się, że można uciec od tej sztuczki.
Mike DeSimone
7
Opłatek musi być okrągły ze względu na proces produkcji. Aby utworzyć pojedynczy kryształ krzemu, kryształ początkowy zanurza się w kąpieli stopionego, domieszkowanego krzemu i powoli wycofuje podczas obracania kryształu. Precyzyjna kontrola prędkości obrotowej i ekstrakcji określa zarówno średnicę kryształu, jak i zapobiega powstawaniu defektów polikrystalicznych. Średnica i długość są również ograniczone względami mechanicznymi, tj. Tym, ile możesz wyciągnąć, zanim się odłamie i spadnie z powrotem. Następnie jest cięty na wafle i polerowany.
Mike DeSimone
21

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.

znak
źródło
4
Moc spada z rozmiarem funkcji do punktu. Niższe napięcia przełączające zmniejszają stosunek stanu FET do stanu włączenia i wyłączenia. Oznacza to, że istnieje znaczny przeciek stanu wyłączenia, aby uzyskać wystarczająco niski poziom impedancji stanu. W rezultacie moc upływu stanowi znaczną część mocy wymaganej do uruchomienia niektórych nowoczesnych procesorów. Moc nadal rośnie wraz z częstotliwością taktowania, ale maksymalna częstotliwość taktowania jest ograniczona przez zawsze obecną istotną moc upływu. Istnieje wiele interesujących kompromisów w nowoczesnych procesorach, a równowaga między nimi zmienia się szybko.
Olin Lathrop
1
Twoje światło jest dziesięć razy za szybkie: 3,33 × 10 ^ -12 s × 3 × 10 ^ 8 m / s = 10 ^ -3 m = 1 mm.
starblue
@Olin Lathrop Uzgodniono, że w ostatnich generacjach przeciek jest głównym ogranicznikiem. Najczęściej odnosiłem się do przejścia od 90 nm do 45 nm, które ma prawie liniowy spadek mocy. Jak powiedziałeś, ta liniowość nie jest mniejsza niż 45 nm.
Mark
5

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.

stevenvh
źródło
2
300 000 000 metrów / 3 000 000 000 Hz = 0,1 metra, czyli 10 cm, prawda?
Kromster mówi o wsparciu Moniki
3
Wafle są tanie, 100 $ za wafel. Kosztowna jest eksplozja - steppery mogą przetwarzać maksymalnie 120 wafli na godzinę, a każdy wafel potrzebuje do 20 wybuchów.
BarsMonster
1
@BarsMonster nie może eksplozja zrujnować opłatka? Przepraszam! :)
kenny
1
@kenny Fizyczne uszkodzenie wafla jest bardzo mało prawdopodobne w nowoczesnych fab. Wady mikroskopowe - zawsze są tutaj.
BarsMonster
2
@stevenvh: tak, co powiedział BarsMonster. Kiedy masz maszynę do rozpylania za milion dolarów i przetwarza ona sto tysięcy (?) Wafli przez cały okres jej użytkowania, najłatwiej jest myśleć o niej i innych maszynach w fabryce jako o „całkowitym koszcie na wafel”. Część „całkowitego kosztu na płytkę”, która pochodzi z zakupu zdemaskowanych dysków z czystego krzemu, jest prawie nieznaczna.
davidcary
0

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.

PMar
źródło