Obrigado a todos que apareceram com sugestões, tentei coletar todas as informações na mesma resposta.
Os menores microcontroladores de cada família:
- Atmel ATtiny20-UUR: 1,55 x 1,40 x 0,53 mm, WLCSP-12, 10 gpio, passo de 0,4 mm (o vencedor)
- Cypress CY8C4014FNI-421: 1,56 x 1,45 x 0,4 mm, WLCSP-16, 12 gpio, passo de 0,35 mm
- (novo) Maxim MAX32660GWE: 1,55 x 1,57 x 0,64 mm, WLCSP-16, 10 GPIO, passo de 0,35 mm
- Freescale Kinetis KL03 MKL03Z32CAF4RTR: 2,00 x 1,61 x 0,56 mm, BGA-20, 18 gpio, passo de 0,4 mm
- Freescale Kinetis KL02 MKL02Z32CAF4R: 2,00 x 1,95 x 0,56 mm, BGA-20, 18 gpio, passo de 0,4 mm
- NXP LPC1102UK: 2,32 x 2,17 x 0,60 mm, WLCSP-16, 11 gpio, passo de 0,5 mm
- Ambiq Apollo2 2,5 x 2,5 x 0,45 mm, WLCSP-49, 34 gpio, 0,35 mm
- ST STM32F042T6Y6: 2,70 x 2,60 x 0,55 mm, WLCSP-36, 36 pinos, passo de 0,40 mm
- TI MSP430G2252: 2,65 x 2,55 x 0,28 mm, matriz nua, 22 pastilhas
- TI MSP430G2x01: 4,00 x 4,00 x 0,90 mm, QFN-16, 16 pinos, passo de 0,65 mm
- Microchip PIC12LF1552T: 3,00 x 2,00 x 0,50 mm, QFN-8, 5 gpio, passo de 0,5 mm
Às vezes, existem outras opções na mesma família que usam o mesmo pacote, mas não encontrei nada com um pacote menor. Isso não leva em conta a quantidade de circuitos de suporte que cada chip precisa, é claro.