Por que as CPUs estão se tornando cada vez menores?

É um fato conhecido que, com o tempo, os processadores (ou chips) estão se tornando cada vez menores. Intel e AMD estão em uma corrida pelos menores padrões (45nm, 32nm, 18nm, ..). Mas por que é tão importante ter os menores elementos na menor área de chip?

Por que não fazer uma CPU 90nm 5x5cm? Por que espremer 6 núcleos em uma área de 216mm2? Será mais fácil dissipar o calor de uma área maior, a fabricação exigirá tecnologia menos precisa (e, portanto, mais barata).

Eu posso pensar em alguns motivos:

• menos tamanho significa que mais chips poderiam ser feitos em uma única bolacha (mas as bolachas não são muito caras, certo?)
• tamanhos menores são importantes para dispositivos móveis (mas os PCs comuns ainda usam caixas de torre)
• Se o tamanho pequeno é determinado pelo limite de velocidade da luz, o chip não pode ser maior que a distância que um campo EM pode percorrer em 1 ciclo (mas isso é aproximadamente vários cm a 3GHz)

Então, por que os chips precisam se tornar cada vez menores?

É como barras de chocolate. Eles continuam diminuindo ao mesmo preço para aumentar o lucro.

Seriamente, porém, existem boas razões para chips menores. A primeira e mais importante é que mais chips podem ser encaixados em uma bolacha. Para chips grandes, o custo é praticamente a fração de wafer que ele usa. O custo para processar uma bolacha é praticamente fixo, independentemente de quantos chips resultem dela.

Usar menos da bolacha cara é apenas uma parte. O rendimento é o outro. Todas as bolachas têm imperfeições. Pense neles como pequenos, mas espalhados aleatoriamente sobre a bolacha, e qualquer CI que atinja uma dessas imperfeições é lixo. Quando a bolacha é coberta por muitos ICs pequenos, apenas uma pequena fração do total é lixo. À medida que o tamanho do CI aumenta, a fração deles que atingem uma imperfeição aumenta. Como um exemplo irreal que, no entanto, aponta o problema, considere o caso em que cada bolacha tem uma imperfeição e é coberta por um CI. O rendimento seria 0. Se fosse coberto por 100 ICs, o rendimento seria de 99%.

Há muito mais a produzir além disso, e isso simplifica muito o problema, mas esses dois efeitos levam os chips menores a serem mais econômicos.

Para ICs realmente simples, o custo de embalagem e teste domina. Nesses casos, o tamanho dos recursos não é um problema de condução. Essa também é uma das razões pelas quais temos visto uma explosão de pacotes menores e mais baratos ultimamente. Observe que o tamanho extremo dos recursos pequenos está sendo ampliado por ICs muito grandes, como processadores principais e GPUs.

À medida que o tamanho do processo diminui, o uso de energia diminui.

Processos menores de transistor permitem o uso de tensões mais baixas combinadas com as melhorias na técnica de construção, significando que um processador de ~ 45nm pode usar menos da metade da energia que um processador de 90nm usa com contagens de transistor semelhantes.

A razão para isso é que, à medida que a porta do transistor fica menor, a tensão limite e a capacitância da porta (corrente necessária do inversor) diminuem.

Deve-se notar que, como Olin apontou, esse nível de melhoria não continua com tamanhos de processo menores, pois a corrente de fuga se torna muito importante.

Um de seus outros pontos, a velocidade na qual os sinais podem viajar pelo chip:

Em 3ghz, o comprimento de onda é de 10 cm, no entanto, o 1/10 de comprimento de onda é de 1 cm, onde é necessário começar a considerar os efeitos da linha de transmissão para sinais digitais. Além disso, lembre-se de que, no caso dos processadores Intel, algumas partes do chip funcionam com o dobro da velocidade do clock, de modo que 0,5 cm se torna a distância importante para os efeitos da linha de transmissão. NOTA: nesse caso, eles podem estar operando nas duas extremidades do relógio, o que significa que o relógio não funciona a 6 Ghz, mas alguns processos em andamento estão movendo dados com rapidez e precisam considerar os efeitos.

Fora dos efeitos da linha de transmissão, você também deve considerar a sincronização do relógio. Na verdade, não sei qual é a velocidade de propagação dentro de um microprocessador, pois o fio de cobre não blindado é 95% da velocidade da luz, mas o cabo coaxial é 60% a velocidade da luz.

Em 6Ghz, o período do relógio é de apenas 167 picossegundos, o tempo tão alto / baixo é de ~ 84 picossegundos. No vácuo, a luz pode percorrer 1 cm em 33,3 picosendos. Se a velocidade de propagação foi de 50% da velocidade da luz, é mais como 66,6 picossegundos para percorrer 1 cm. Isso, combinado com os atrasos de propagação dos transistores e possivelmente de outros componentes, significa que o tempo que o sinal leva para se deslocar mesmo em um dado pequeno de 3-6Ghz é significativo para manter a sincronização do relógio adequada.

O principal motivo é o primeiro que você mencionou. As bolachas (o que você chama de pratos) são muito caras, então você deseja tirar o máximo proveito delas. As bolachas anteriores tinham 3 polegadas de diâmetro, hoje são 12 polegadas, o que não apenas oferece 16 vezes mais imóveis, obviamente, mas você obtém ainda mais matrizes do que isso.
Portanto, fica claro que eles usariam essa tecnologia também para CPUs usadas em PCs em torre, mesmo que não pareça necessário lá. E não esqueça que os laptops também possuem esse tipo de CPU, e estão com um orçamento limitado no que diz respeito ao espaço.
A velocidade também é uma preocupação, pois os sinais de 3 GHz viajam menos de 10 cm por ciclo de clock. Como regra geral, de 1/10 disso, temos que cuidar dos efeitos das linhas de transmissão. E isso é menos de 1 cm.

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tamanho menor do recurso também significa menos capacitância de porta e isso permite maior velocidade. Comutação mais rápida significa menos consumo de energia, uma vez que os MOSFETs passam mais rápido por sua região ativa. Na prática, os fabricantes aproveitam isso para cronometrar mais rapidamente, para que, no final, você não veja muito dessa redução de energia.

O principal motivo pelo qual as CPUs continuam diminuindo é simplesmente que, na computação, menor é mais poderoso :

Para uma primeira aproximação, o cálculo envolve duas ações básicas: transmitir informações de um lugar para outro e combinar cadeias de informações para produzir novas informações. Como estamos acostumados a usar eletrônicos aqui, vamos chamar o hardware para essas ações 'fios' e 'interruptores'. Para ambos, quanto menor, melhor:

Fios: Como a velocidade de transmissão em um fio é essencialmente constante, se você deseja obter informações de um local (por exemplo, comutador) para outro, é necessário encurtar o fio . (você pode conseguir uma velocidade mais rápida, mas eventualmente atinge a velocidade do limite de luz, quando é forçado a voltar a encurtar).

Comutadores: um comutador trabalha com informações de um ou mais fios de entrada que entram e impregnam o corpo do comutador, fazendo com que seu estado interno se transforme de modo a modular as informações em um ou mais fios de saída. Simplesmente leva menos tempo para absorver o corpo de um comutador menor.