Чому процесори стають все меншими та меншими?

19

Відомий факт, що з часом процесорів (або мікросхем) стає все менше і менше. Intel та AMD змагаються за найменшими стандартами (45 нм, 32 нм, 18 нм, ..). Але чому так важливо мати найменші елементи на найменшій площі чіпа?

Чому б не зробити процесор 90nm 5x5cm? Навіщо видавлювати 6 ядер на область 216мм2? Простіше буде відводити тепло від більшої площі, виробництво вимагатиме менш точної (і, таким чином, дешевшої) технології.

Я можу подумати з кількох причин:

менший розмір означає, що більше фішок можна зробити на одній вафлі (але вафлі не дуже дорогі, правда?)
менші розміри важливі для мобільних гаджетів (але щоденні ПК все ще використовують коробки вежі)
невеликий розмір продиктований обмеженням швидкості світла, чіп не може бути більшим за відстань, яку може пройти поле ЕМ за 1 цикл (але це приблизно кілька см на частоті 3 ГГц)

Отже, чому мікросхеми потрібно ставати все менше і менше?

cpu integrated-circuit

— Кромстер каже, що підтримує Моніку
джерело

3

більше закон? :)

— kenny

в більшості випадків остаточний розмір упаковки, що важливо для розміщення її в стільниковому телефоні, визначається типом упаковки та кількістю шпильок. Іншими словами, фактичний розмір штампів, як правило, набагато менший, ніж показав би пакет, навіть для більш великих процесів. Упаковка - це значна частина витрат на виготовлення ІС з високим рахунком, набагато більше, ніж ви могли б подумати, а іноді і більше, ніж виготовлення фактичної штампу.

— Марк

@Mark - Виробники стільникових телефонів хочуть все більше і більше CSP (Chip Scale Packages), які мають майже той же розмір, що і штамп. Ви навряд чи виправдаєте такі пакунки, як TQFP, у смартфонах, вони занадто неефективні для простору.

— stevenvh

@stevenvh Я думаю, що ми сказали те саме, що вибір упаковки і конденсація декількох чіпів в один пакет, щоб зменшити кількість штифтів і зовнішні потреби в компонентах, в першу чергу, сприяють мініатюризації ІМ для використання мобільного телефону. Розмір процесу, як правило, не є обмежуючим фактором, особливо на пристроях з високою кількістю штифтів.

— Марк

8

Щоб було зрозуміло, процесори насправді не стають меншими. Вони залишаються приблизно однакового розміру, але містять все більше і більше транзисторів, оскільки розмір кожного транзистора зменшується.

— Девід Шварц

34

Це як цукерки. Вони продовжують робити їх меншими за ту ж ціну, щоб збільшити прибуток.

Незважаючи на те, що для менших фішок є вагомі причини. Перше і головне - це те, що на пластину можна помістити більше чіпсів. Для великих чіпсів вартість залежить від того, яку частину вафлі вона використовує. Витрати на обробку вафель майже фіксовані, незалежно від того, скільки фішок виходить від цього.

Використання менше дорогої вафлі - це лише одна частина. Вихід - інший. Усі вафлі мають недосконалість. Подумайте про те, що вони невеликі, але випадковим чином розкидані по вафлі, і будь-який ІС, який потрапляє в одну з цих недосконалостей, - це сміття. Коли вафлі покриті безліччю дрібних ІМС, лише невелика частка загальної кількості - це сміття. Із збільшенням розміру ІЧ частка їх, що потрапила в недосконалість, збільшується. Як нереальний приклад, який, тим не менш, вказує на проблему, розглянемо випадок, коли кожна вафля має одну недосконалість і охоплюється одним СК. Вихід був би 0. Якби він охоплювався 100 МК, вихід склав би 99%.

У цьому вийде набагато більше, ніж це, і це значно спрощує проблему, але ці два ефекти підштовхують до того, що менші чіпи є більш економічними.

Для дійсно простих ІС домінуюча вартість упаковки та тестування. У цих випадках розмір функцій не є настільки важливим питанням. Це також одна з причин того, що останнім часом ми спостерігаємо вибух менших та дешевших пакетів. Зауважте, що надзвичайно малі розміри функцій висуваються дуже великими ІС, такими як основні процесори та графічні процесори.

— Олін Латроп
джерело

17

Також зливка кремнію кругла, тому ви втрачаєте більше фішок за вафельні, оскільки чіпси збільшуються, тобто. ви можете помістити в коло більше менших квадратних фішок.

— Мартін

2

+1 @Martin, не кажучи вже про те, що він знаходиться в краях пластини, у нас виявлено багато несправностей пристрою.

— kenny

1

@endolith: Подумайте, як працює уточнення зони. Кругла розсічка - оптимальна форма для цього.

— Олін Латроп

1

Отвори навколо краю можуть бути заповнені меншими кісточками лише тоді, коли структура (допінг субстрату, технології транзисторів, кількість шару металізації тощо) однакова і для великих, і для менших кісток. Крім того, виробничі норми для двох пристроїв з’єднуються і можуть не бути схожими на рівень попиту для двох різних деталей. Тому рідко коли можна втекти від цього фокусу.

— Майк Десімоне

7

Вафлі повинні бути круглими через технологічний процес виготовлення. Щоб створити монокристал кремнію, стартовий кристал опускають у ванну з розплавленим, легованим кремнієм і повільно відводять під час обертання кристала. Точний контроль обертання та швидкості вилучення визначає як діаметр кристала, так і запобігає утворенню полікристалічних дефектів. Діаметр і довжина також обмежені механічними міркуваннями, тобто, скільки ви можете потягнути, перш ніж воно відірветься і впаде назад. Після цього воно нарізається пластинами і шліфується.

— Майк Десимоне

21

Із зменшенням розміру процесу споживання енергії зменшується.

Менші транзисторні процеси дозволяють використовувати більш низькі напруги в поєднанні з поліпшенням технології побудови, це означає, що процесор ~ 45 нм може використовувати менше половини потужності, яку використовує 90 нм процесор із аналогічним числом транзисторів.

Причиною цього є те, що в міру зменшення транзисторних воріт порогова напруга та ємність затвора (необхідний привідний струм) стає нижчим.

Слід зазначити, що, як зазначав Олін, цей рівень покращення не продовжується до менших розмірів процесу, оскільки струм витоку стає дуже важливим.

Ще одна з ваших точок, швидкість, з якою сигнали можуть подорожувати навколо мікросхеми:

На 3гц довжина хвилі становить 10 см, проте 1/10-та довжина хвилі становить 1 см, саме там вам потрібно почати розгляд ефектів лінії передачі для цифрових сигналів. Додатково пам’ятайте, що у випадку процесорів Intel деякі частини мікросхеми працюють з подвійною тактовою частотою, тому 0,5 см стає важливою відстані для ефектів лінії передачі. ПРИМІТКА. У цьому випадку вони можуть працювати на обох краях годин, тобто годинник не працює на 6 ГГц, але деякі процеси, що відбуваються, швидко переміщують дані і повинні враховувати ефекти.

Поза ефектами лінії електропередачі, ви також повинні врахувати синхронізацію годин. Я насправді не знаю, яка швидкість розповсюдження знаходиться у мікропроцесорі, для неекранованого мідного дроту - це як 95% швидкості світла, але для коаксіації - це як 60% швидкості світла.

На 6 ГГц тактовий час становить лише 167 пікосекунд, настільки високий / низький час становить ~ 84 пікосекунди. У вакуумі світло може подорожувати 1 см за 33,3 пікосекунди. Якщо швидкість поширення становила 50%, швидкість світла, то вона більше схожа на 66,6 пікосекунд, щоб пройти 1 см. Це в поєднанні із затримкою розповсюдження транзисторів та, можливо, іншими компонентами означає, що час, який сигнал потребує для переміщення навіть невеликого штампу при 3-6 ГГц, є важливим для підтримання належної синхронізації годин.

— Позначити
джерело

4

Потужність зменшується з розміром функції до точки. Нижчі напруги перемикання зменшують співвідношення ВНТ і вимкнено. Це означає, що є значні витоки стану, щоб отримати достатньо низький рівень опору держави. Як результат, потужність витоку - це значна частка потужності, необхідної для роботи деяких сучасних процесорів. Потужність як і раніше збільшується з тактовою частотою, але максимальна тактова частота обмежена потужністю витоку, що завжди присутня. У сучасних процесорах є багато цікавих компромісів, і баланси між ними швидко змінюються.

— Олін Латроп

1

Твоє світло в десять разів занадто швидкий: 3,33 × 10 ^ -12 с × 3 × 10 ^ 8 м / с = 10 ^ -3 м = 1 мм.

— starblue

@ Olin Lathrop Погоджено, що в останніх поколіннях витоки є основним обмежувачем. Я здебільшого посилався на перехід від 90 нм до 45 нм, що має майже лінійне зниження потужності. Такої лінійності немає як 45nm, як ви вже говорили.

— Марк

5

Основна причина - перша, яку ви згадали. Вафлі (те, що ви називаєте тарілками) дуже дорогі, тому ви хочете отримати від них максимум. Раніше вафлі були діаметром 3 дюйма, сьогодні - 12 дюймів, що не тільки дає вам нерухомість в 16 разів більше, але, очевидно, ви отримуєте ще більше штампів від них.
Тож зрозуміло, що вони використовуватимуть цю технологію і для процесорів, що використовуються в баштових ПК, навіть якщо це не здається, що це потрібно. І не забувайте, що портативні ПК також мають такі процесори, і вони витрачаються на бюджет, що стосується місця.
Швидкість також викликає занепокоєння: сигнали 3 ГГц рухаються менше 10 см за тактовий цикл. Як правило, ми маємо піклуватися про ефекти лінії електропередачі. І це менше 1 див.

редагування
Менший розмір функції також означає меншу ємність воріт, і це дозволяє підвищити швидкість. Швидше перемикання означає менше споживання електроенергії, оскільки MOSFET будуть проходити швидше через свою активну область. На практиці виробники користуються цим, щоб швидше працювати, так що в кінцевому підсумку ви не побачите багато цього зниження енергії.

— stevenvh
джерело

2

300 000 000 метрів / 3 000 000 000 Гц = 0,1 метр, це 10 см, так?

— Кромстер каже, що підтримує Моніку

3

Вафлі дешеві, 100 доларів за вафлю. Дорога - вибухова техніка - степери можуть обробляти 120 вафель на годину максимум, а кожна вафля потребує до 20 вибухів.

— BarsMonster

1

@BarsMonster не може вибухонебезпечно зіпсувати вафлі? Вибачте! :)

— kenny

1

@kenny Фізичні пошкодження вафельних виробів в сучасних людях малоймовірні. Мікроскопічні дефекти - вони завжди тут.

— BarsMonster

2

@stevenvh: так, що сказав BarsMonster. Коли у вас є машина на розпилення на мільйон доларів, і вона обробляє сто тисяч (?) Вафельних плит протягом свого життя, найпростіше думати про це та інші машини у фабриці як про частину "загальної вартості за пластину". Частка "загальної вартості вафлі", яка виходить від придбання незамаскованих чистих кремнієвих дисків, майже незначна.

— davidcary

0

Причина CORE, чому процесори стають все менше, просто в тому, що в обчислювальних технологіях менші є потужнішими :

До першого наближення, обчислення включає дві основні дії: передачу інформації з одного місця в інше та комбінування ниток інформації для отримання нової інформації. Оскільки ми звикли тут використовувати електроніку, давайте назвемо апаратне забезпечення для цих дій "проводами" та "комутаторами". І для обох краще менше:

Провід: Оскільки швидкість передачі проводу по суті є постійною, то, якщо ви хочете отримати інформацію з одного місця (наприклад, комутатора) в інше, вам доведеться скоротити провід .(можливо, ви зможете досягти більш швидкої швидкості, але врешті-решт ви досягнете межі швидкості світла, після чого ви змушені повернутися до скорочення).

Перемикачі: комутатор працює за інформацією від одного або декількох вхідних проводів, що надходять і стискають тіло комутатора, внаслідок чого його внутрішній стан перетворюється так, щоб модулювати інформацію по одному або більше вихідних проводів. Для задушення корпусу меншого вимикача просто потрібно менше часу.

— PMar
джерело