Mengapa CPU menjadi semakin kecil?

19

Ini adalah fakta yang diketahui bahwa dari waktu ke waktu prosesor (atau chip) menjadi semakin kecil. Intel dan AMD berlomba untuk standar terkecil (45nm, 32nm, 18nm, ..). Tetapi mengapa begitu penting untuk memiliki elemen terkecil di area chip terkecil?

Mengapa tidak membuat cpu 90nm 5x5cm? Mengapa memeras 6 core ke dalam area 216mm2? Akan lebih mudah untuk menghilangkan panas dari area yang lebih luas, pembuatannya akan membutuhkan teknologi yang kurang tepat (dan dengan demikian lebih murah).

Saya dapat memikirkan beberapa alasan:

  • ukuran yang lebih kecil berarti lebih banyak chip dapat dibuat pada wafer tunggal (tetapi wafer tidak terlalu mahal, kan?)
  • ukuran yang lebih kecil penting untuk gadget seluler (tetapi PC sehari-hari masih menggunakan kotak menara)
  • ukuran kecil ditentukan oleh batas kecepatan cahaya, chip tidak dapat lebih besar dari jarak medan EM dapat melakukan perjalanan dalam 1 siklus (tapi thats sekitar beberapa cm di 3GHz)

Jadi, mengapa chip perlu menjadi lebih kecil dan lebih kecil?

cpu integrated-circuit Kromster berkata mendukung Monica
sumber
3
lebih banyak hukum? :)
kenny
dalam sebagian besar kasus ukuran paket akhir, yang penting untuk memasangnya di telepon seluler, ditentukan oleh jenis kemasan dan jumlah pin. Dengan kata lain ukuran die yang sebenarnya umumnya jauh lebih kecil daripada yang ditunjukkan paket, bahkan untuk proses yang lebih besar. Pengemasan merupakan bagian besar dari biaya pembuatan IC jumlah pin yang tinggi, jauh lebih banyak daripada yang Anda pikirkan dan kadang-kadang lebih dari pembuatan die yang sebenarnya.
Tandai
@ Mark - Produsen ponsel menginginkan semakin banyak CSP (Paket Skala Chip), yang ukurannya hampir sama dengan die. Anda hampir tidak dapat membenarkan paket seperti TQFP di ponsel pintar lagi, mereka terlalu tidak efisien ruang.
stevenvh
@stevenvh Saya pikir kami mengatakan hal yang sama, pilihan kemasan dan kondensasi beberapa chip menjadi satu paket untuk mengurangi jumlah pin dan kebutuhan komponen eksternal terutama mendorong miniaturisasi IC untuk penggunaan ponsel. Ukuran proses umumnya bukan faktor pembatas, terutama pada perangkat dengan jumlah pin yang tinggi.
Tandai
8
Agar jelas, CPU sebenarnya tidak menjadi lebih kecil. Mereka kira-kira berukuran hampir sama tetapi mengandung lebih banyak dan lebih banyak transistor karena ukuran masing-masing transistor berkurang.
David Schwartz

Jawaban:

34

Ini seperti permen. Mereka terus membuat mereka lebih kecil dengan harga yang sama untuk meningkatkan laba.

Seriosly, ada alasan bagus untuk chip yang lebih kecil. Yang pertama dan terpenting adalah bahwa lebih banyak chip dapat dimasukkan ke dalam wafer. Untuk chip besar, biaya adalah semua tentang seberapa kecil wafer yang digunakannya. Biaya untuk memproses wafer cukup banyak, terlepas dari berapa banyak chip yang dihasilkan.

Menggunakan wafer yang lebih murah hanya satu bagian. Yield adalah yang lain. Semua wafer memiliki ketidaksempurnaan. Anggap mereka kecil tapi tersebar secara acak tentang wafer, dan setiap IC yang mengenai salah satu ketidaksempurnaan ini adalah sampah. Ketika wafer ditutupi oleh banyak IC kecil, hanya sebagian kecil dari total yang sampah. Ketika ukuran IC naik sebagian kecil dari mereka yang menabrak ketidaksempurnaan naik. Sebagai contoh nyata yang menunjukkan masalah ini, pertimbangkan kasus di mana setiap wafer memiliki satu ketidaksempurnaan dan dilindungi oleh satu IC. Hasil akan 0. Jika ditutupi oleh 100 IC, hasil akan 99%.

Ada lebih banyak yang bisa dihasilkan dari ini, dan ini sangat menyederhanakan masalah, tetapi dua efek ini mendorong chip yang lebih kecil menjadi lebih ekonomis.

Untuk IC yang sangat sederhana, biaya pengemasan dan pengujian mendominasi. Dalam kasus tersebut, ukuran fitur bukan masalah mengemudi. Ini juga salah satu alasan kami melihat ledakan paket yang lebih kecil dan lebih murah belakangan ini. Perhatikan bahwa fitur kecil yang ekstrim ukuran sedang didorong oleh IC yang sangat besar, seperti prosesor utama dan GPU.

Olin Lathrop
sumber
17
Juga ingot silikon berbentuk bulat sehingga Anda kehilangan lebih banyak chip per wafer sebagai chip menjadi lebih besar, yaitu. Anda bisa memasukkan lebih banyak keping persegi yang lebih kecil ke dalam lingkaran.
Martin
2
+1 @Martin, belum lagi di tepi wafer kami banyak ditemukan kegagalan perangkat.
kenny
1
@endolith: Pikirkan cara kerja perbaikan zona. Persimpangan lingkaran adalah bentuk optimal untuk itu.
Olin Lathrop
1
Lubang-lubang di sekitar tepi dapat diisi dengan dadu yang lebih kecil jika dan hanya jika struktur (substrat doping, teknologi transistor, jumlah lapisan metalization, dll.) Adalah sama untuk dadu yang lebih besar dan lebih kecil. Selain itu, tingkat produksi untuk dua perangkat menjadi terkait dan mungkin tidak sama dengan tingkat permintaan untuk dua bagian yang berbeda. Karena itu, sangat jarang ketika Anda bisa lolos dengan trik itu.
Mike DeSimone
7
Wafer harus bulat karena proses pembuatannya. Untuk membuat kristal tunggal silikon, kristal starter dicelupkan ke dalam bak silikon yang dilelehkan, dan perlahan-lahan ditarik sambil memutar kristal. Kontrol putaran dan kecepatan ekstraksi yang tepat menentukan diameter kristal dan mencegah pembentukan cacat polikristalin. Diameter dan panjangnya juga dibatasi oleh pertimbangan mekanis, yaitu seberapa banyak Anda dapat menarik sebelum putus dan jatuh kembali. Setelah ini, dipotong menjadi wafer dan dipoles.
Mike DeSimone
21

Karena ukuran proses semakin kecil, penggunaan daya berkurang.

Proses transistor yang lebih kecil memungkinkan penggunaan tegangan yang lebih rendah dikombinasikan dengan perbaikan dalam teknik konstruksi berarti bahwa prosesor ~ 45nm dapat menggunakan kurang dari setengah daya yang digunakan prosesor 90nm dengan jumlah transistor yang sama.

Alasan untuk ini adalah bahwa ketika gerbang transistor semakin kecil, tegangan ambang dan kapasitansi gerbang (diperlukan drive saat ini) semakin rendah.

Perlu dicatat bahwa Olin menunjukkan tingkat peningkatan ini tidak berlanjut ke ukuran proses yang lebih kecil karena arus bocor menjadi sangat penting.

Salah satu poin Anda yang lain, kecepatan di mana sinyal dapat bergerak di sekitar chip:

Di 3GHz panjang gelombang adalah 10 cm, namun panjang gelombang 1/10 adalah 1cm yang mana Anda harus mulai mempertimbangkan efek saluran transmisi untuk sinyal digital. Selain itu ingat bahwa dalam kasus prosesor Intel beberapa bagian dari berjalan chip yang pada dua kali kecepatan jam sehingga 0.5cm menjadi jarak penting untuk efek saluran transmisi. CATATAN: mereka mungkin beroperasi pada kedua tepi jam dalam kasus ini, berarti jam tidak berjalan di 6GHz tetapi beberapa proses yang terjadi bergerak data yang cepat dan harus mempertimbangkan efek.

Di luar efek saluran transmisi, Anda juga harus mempertimbangkan sinkronisasi jam. Aku tidak benar-benar tahu apa kecepatan propagasi di dalam mikroprosesor, untuk kawat tembaga unshielded yang seperti 95% dari kecepatan cahaya tetapi untuk membujuk seperti 60% kecepatan cahaya.

Pada 6Ghz periode jam hanya 167 picoseconds sehingga waktu tinggi / rendah ~ 84 picoseconds. Dalam ruang hampa, cahaya dapat melakukan perjalanan 1cm dalam 33,3 picosends. Jika kecepatan rambat adalah 50% kecepatan cahaya maka lebih seperti 66,6 picoseconds untuk melakukan perjalanan 1 cm. Ini dikombinasikan dengan keterlambatan propagasi dari transistor dan mungkin komponen lainnya berarti bahwa waktu yang diperlukan sinyal untuk bergerak walaupun ada die kecil pada 3-6Ghz sangat penting untuk menjaga sinkronisasi jam yang tepat.

Menandai
sumber
4
Daya turun dengan ukuran fitur ke titik. Tegangan beralih rendah membuat rasio dari FET dan mematikan negara yang lebih kecil. Ini berarti ada cukup kebocoran off negara untuk mendapatkan cukup rendah pada impedansi negara. Akibatnya, kebocoran daya adalah fraksi yang signifikan dari daya yang diperlukan untuk menjalankan beberapa prosesor modern. Listrik masih naik dengan laju jam, namun laju jam maksimum dibatasi oleh kebocoran daya subtantial selalu hadir. Ada banyak pengorbanan yang menarik di prosesor modern, dan ballances antara mereka berubah dengan cepat.
Olin Lathrop
1
Cahaya Anda adalah sepuluh kali terlalu cepat: 3,33 × 10 ^ -12 s × 3 × 10 ^ 8 m / s = 10 ^ -3 m = 1mm.
starblue
@Olin Lathrop Setuju, di paling generasi terbaru kebocoran adalah limiter utama. Aku kebanyakan referensi transisi dari 90nm ke 45nm yang tidak memiliki penurunan hampir linier berkuasa. Linearitas yang tidak ada di bawah 45nm seperti yang Anda katakan.
Mark
5

Alasan utama adalah yang pertama yang Anda sebutkan. Wafer (apa yang Anda sebut piring) sangat mahal, jadi Anda ingin mendapatkan yang terbaik dari mereka. Wafer sebelumnya adalah 3 inci diameter, saat ini adalah 12 inci, yang tidak hanya memberikan Anda 16 kali lebih banyak real estate, jelas, tetapi Anda mendapatkan lebih banyak meninggal dari mereka dari itu.
Jadi jelas bahwa mereka akan menggunakan teknologi ini juga untuk CPU yang digunakan di PC tower, bahkan jika itu tidak terlihat seperti itu perlu ada. Dan jangan lupa bahwa PC laptop juga memiliki jenis CPU, dan mereka pada anggaran sejauh ruang yang bersangkutan.
Kecepatan juga menjadi perhatian, pada sinyal 3 GHz perjalanan kurang dari 10 cm per siklus clock. Sebagai patokan sejak 1/10 itu kita harus mengurus efek saluran transmisi. Dan itu kurang dari 1 cm.

sunting
Ukuran fitur yang lebih kecil juga berarti lebih sedikit kapasitansi gerbang, dan ini memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi. Pergantian yang lebih cepat berarti lebih sedikit konsumsi daya, karena MOSFET akan bergerak lebih cepat melalui wilayah aktifnya. Dalam praktiknya, pabrikan memanfaatkan ini untuk mempercepat, sehingga pada akhirnya Anda tidak akan melihat banyak pengurangan daya ini.

stevenvh
sumber
2
300 000 000 meter / 3 000 000 000 Hz = 0,1 meter, 10 cm, kan?
Kromster mengatakan dukungan Monica
3
Wafer murah, $ 100 per wafer. Apa yang mahal adalah explosure - steppers dapat memproses 120 wafer per jam max, dan masing-masing wafer perlu hingga 20 explosures.
BarsMonster
1
@BarsMonster tidak dapat mengekspos rafting wafer? Maaf! :)
kenny
1
@kenny Kerusakan fisik ke wafer sangat tidak mungkin di fab modern. Cacat mikroskopis - mereka selalu ada di sini.
BarsMonster
2
@stevenvh: ya, apa yang dikatakan BarsMonster. Ketika memiliki mesin sputtering juta dolar, dan itu proses seratus ribu (?) Wafer selama hidupnya, itu yang paling sederhana untuk memikirkan itu dan mesin lain di fab sebagai bagian dari "total biaya per wafer". Sebagian kecil dari "total biaya per wafer" yang berasal dari membeli disk silikon murni membuka kedok hampir tidak signifikan.
davidcary
0

Alasan CORE mengapa CPU terus mendapatkan lebih kecil hanya itu, dalam menghitung, lebih kecil adalah lebih kuat :

Untuk perkiraan pertama, perhitungan melibatkan dua tindakan dasar: mentransmisikan informasi dari satu tempat ke tempat lain, dan menggabungkan untaian informasi untuk menghasilkan informasi baru. Karena kita digunakan untuk menggunakan elektronik di sini, mari kita sebut perangkat keras untuk tindakan ini 'kabel' dan 'switch'. Untuk kedua hal ini, lebih kecil lebih baik:

Kabel: Karena kecepatan transmisi pada kabel pada dasarnya konstan, maka jika Anda ingin mendapatkan informasi dari satu tempat (misalnya beralih) ke yang lain, Anda harus mempersingkat kabel . (Anda mungkin dapat mencapai kecepatan yang lebih cepat, tetapi pada akhirnya Anda mencapai kecepatan batas cahaya, pada titik mana Anda dipaksa kembali ke pemendekan).

Switch: Sebuah saklar bekerja dengan informasi dari satu atau lebih kabel masukan masuk dan menggenangi tubuh switch, menyebabkan keadaan internal untuk mengubah sehingga dapat memodulasi informasi pada satu atau lebih kabel output. Hanya membutuhkan sedikit waktu untuk menutupi tubuh dari saklar yang lebih kecil.

PMar
sumber