İşlemciler neden daha küçük ve daha küçük hale geliyor?

19

Zaman içinde işlemcilerin (veya yongaların) gittikçe küçüldüğü bilinen bir gerçektir. Intel ve AMD en küçük standartlar için yarışıyor (45nm, 32nm, 18nm, ..). Ama en küçük talaş alanındaki en küçük elemanlara sahip olmak neden bu kadar önemlidir?

Neden 90nm 5x5cm işlemci yapmıyorsunuz? Neden 6 çekirdeği 216mm2 alana sıkıştırın? Isıyı daha geniş alandan dağıtmak daha kolay olacak, üretim daha az hassas (ve dolayısıyla daha ucuz) teknoloji gerektirecektir.

Birkaç sebep düşünebilirim:

daha az boyut, tek gofret üzerinde daha fazla cips yapılabileceği anlamına gelir (ancak gofretler çok pahalı değildir, değil mi?)
mobil cihazlar için daha küçük boyutlar önemlidir (ancak günlük PC'ler hala kule kutuları kullanır)
küçük boyut ışık hızı sınırı ile belirlenir, çip bir EM alanının 1 döngüde gidebileceği mesafeden daha büyük olamaz (ancak 3GHz'de yaklaşık birkaç cm)

Peki, yongaların neden daha küçük ve daha küçük olması gerekiyor?

cpu integrated-circuit

— Kromster: Monica'ya destek
kaynak

3

daha fazla hukuk mu? :)

— kenny

çoğu durumda, son paket boyutu, bir cep telefonuna takılması için önemli olan, ambalaj tipi ve pim sayısı ile belirlenir. Başka bir deyişle, gerçek kalıp boyutu, daha büyük prosesler için bile genellikle paketin göstereceğinden çok daha küçüktür. Ambalaj, yüksek bir pim sayısı IC üretim maliyetinin büyük bir kısmıdır, düşündüğünüzden çok ve bazen gerçek kalıbı üretmekten daha fazladır.

— Mark

@Mark - Cep telefonu üreticileri gittikçe daha fazla CSP (Chip Scale Paketleri) istiyorlar, bu da neredeyse kalıpla aynı boyutta. Artık akıllı telefonlarda TQFP gibi paketleri haklı çıkaramazsınız, çok fazla alan verimsizdirler.

— stevenvh

@stevenvh Aynı şeyi söyledik, pim sayısını ve harici bileşen ihtiyaçlarını azaltmak için ambalaj seçenekleri ve çoklu çiplerin tek bir pakette yoğunlaştırılması, öncelikle cep telefonu kullanımı için IC'lerin minyatürleştirilmesine neden oluyor. Proses boyutu, özellikle yüksek pimli sayım cihazlarında genellikle sınırlayıcı faktör değildir.

— Mark

8

Açıkçası, CPU'lar aslında küçülmüyor. Kabaca aynı boyutta kalırlar, ancak daha fazla transistör içerirler, çünkü her bir transistörün boyutu azalmaktadır.

— David Schwartz

34

Şeker çubukları gibi. Kârı artırmak için onları aynı fiyattan daha küçük yapmaya devam ediyorlar.

Yine de, daha küçük talaşlar için iyi nedenler vardır. Birincisi ve en önemlisi, bir gofrete daha fazla cips sığabilmesidir. Büyük talaşlar için maliyet, bir gofretin hangi kısmını kullandığına bağlıdır. Bir gofretin işlenme maliyeti, kaç fişin ortaya çıktığından bağımsız olarak hemen hemen sabittir.

Pahalı gofret daha az kullanmak olsa da sadece bir parçasıdır. Verim diğeri. Tüm gofretlerin kusurları var. Bunları küçük ama gofret hakkında rastgele dağılmış olarak düşünün ve bu kusurlardan birine çarpan herhangi bir IC çöptür. Gofret çok sayıda küçük IC ile kaplandığında, toplamın sadece küçük bir kısmı çöptür. IC büyüklüğü arttıkça, bir kusuru vuran kısmı artar. Bununla birlikte, konuyu işaret eden gerçek dışı bir örnek olarak, her gofretin bir kusurunun olduğu ve bir IC tarafından kapsanan durumu düşünün. Verim 0 olacaktır. 100 IC tarafından kapsanırsa verim% 99 olacaktır.

Bundan daha fazla verim var ve bu sorunu büyük ölçüde basitleştiriyor, ancak bu iki etki daha küçük yongaların daha ekonomik olmasına yol açıyor.

Gerçekten basit IC'ler için, paketleme ve test maliyeti hakimdir. Bu durumlarda, özellik boyutu o kadar da önemli bir sorun değildir. Bu, son zamanlarda daha küçük ve daha ucuz paketlerin patlamasının da bir nedenidir. Aşırı küçük özellik boyutunun, ana işlemciler ve GPU'lar gibi çok büyük IC'ler tarafından itildiğini unutmayın.

— Olin Lathrop
kaynak

17

Ayrıca silikon külçe yuvarlaktır, böylece yongalar büyüdükçe gofret başına daha fazla cips kaybedersiniz. bir daireye daha küçük kare yongalar sığdırabilirsiniz.

— Martin

2

+1 @Martin, gofretin kenarlarında bahsetmiyorum bile birçok cihaz arızası bulunur.

— Kenny

1

@endolith: Bölge iyileştirmenin nasıl çalıştığını düşünün. Dairesel bir enine kesit bunun için en uygun şekildir.

— Olin Lathrop

1

Kenarın etrafındaki delikler, sadece yapı (substrat katkısı, transistör teknolojileri, metalizasyon katman sayısı, vb.) Hem daha büyük hem de daha küçük zarlar için aynıysa daha küçük zarlarla doldurulabilir. Ek olarak, iki cihaz için üretim oranları birbirine bağlanır ve iki farklı parça için talep oranına benzemeyebilir. Bu nedenle, bu hile ile kaçabileceğiniz nadirdir.

— Mike DeSimone

7

Gofret üretim süreci nedeniyle yuvarlak olmalıdır. Tek bir silikon kristali oluşturmak için, bir başlangıç kristali bir erimiş, katkılı silikon banyosuna batırılır ve kristal döndürülürken yavaşça geri çekilir. Dönme ve ekstraksiyon hızının hassas kontrolü, hem kristalin çapını belirler hem de polikristalin kusurlarının oluşmasını önler. Çap ve uzunluk da mekanik kaygılarla sınırlıdır, yani kırılmadan ve tekrar içeri girmeden önce ne kadar çekebileceğiniz.

— Mike DeSimone

21

Proses boyutu küçüldükçe güç kullanımı azalır.

Daha küçük transistör süreçleri, inşaat tekniğindeki iyileştirmelerle birlikte daha düşük voltajların kullanılmasına izin verir, ~ 45nm'lik bir işlemcinin, 90nm'lik bir işlemcinin benzer transistör sayımlarıyla kullandığı gücün yarısından daha azını kullanabileceği anlamına gelir.

Bunun nedeni, transistör geçidi küçüldükçe, eşik voltajı ve geçit kapasitansı (gerekli sürücü akımı) azalır.

Olin'in belirttiği gibi, kaçak akım çok önemli hale geldiğinden, bu iyileştirme seviyesinin daha küçük proses boyutlarına devam etmediğine dikkat edilmelidir.

Diğer noktalarınızdan biri, sinyallerin çipin etrafında dolaşabileceği hız:

3ghz'de dalga boyu 10 cm'dir, ancak 1/10 dalga boyu 1 cm'dir, bu da dijital sinyaller için iletim hattı efektlerini düşünmeye başlamanız gereken yerdir. Ek olarak, Intel işlemcilerde, çipin bazı kısımlarının saat hızının iki katında çalıştığını ve böylece 0.5 cm'nin iletim hattı efektleri için önemli mesafe haline geldiğini unutmayın. NOT: Bu durumda her iki saat kenarında da çalışıyor olabilirler, yani saat 6 Ghz'de çalışmaz, ancak devam eden bazı işlemler hızlı olan ve etkileri dikkate almak zorunda olan verileri taşır.

İletim hattı efektlerinin dışında, saat senkronizasyonunu da dikkate almanız gerekir. Aslında bir mikroişlemcinin içinde yayılma hızının ne olduğunu bilmiyorum, blendajsız bakır tel için ışık hızının% 95'i gibi, ama koaksiyel için ışık hızının% 60'ı gibi.

6Ghz'de saat periyodu sadece 167 pikosaniyedir , bu nedenle yüksek / düşük zaman ~ 84 pikosaniyedir. Vakumda, ışık 33.3 piksendinde 1 cm seyahat edebilir. Eğer yayılma hızı ışık hızının% 50'siyse, 1 cm hareket etmek için daha fazla 66.6 pikosaniye benzer. Bu, transistörlerin ve muhtemelen diğer bileşenlerin yayılma gecikmeleriyle birleştiğinde, sinyalin 3-6Ghz'de küçük bir kalıpta bile hareket etmesi için geçen sürenin, uygun saat senkronizasyonunu korumak için önemli olduğu anlamına gelir.

— işaret
kaynak

4

Güç, özellik boyutuyla bir noktaya iner. Düşük anahtarlama gerilimleri FET'lerin açık ve kapalı durumlarını azaltır. Bu, devlet empedansında yeterince düşük olabilmek için önemli ölçüde durum dışı sızıntı olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, kaçak güç, bazı modern işlemcileri çalıştırmak için gereken gücün önemli bir kısmıdır. Güç hala saat hızıyla artar, ancak maksimum saat hızı her zaman var olan önemli kaçak güçle sınırlıdır. Modern işlemcilerde birçok ilginç ödünleşim var ve aralarındaki dengeler hızla değişiyor.

— Olin Lathrop

1

Işığınız on kat çok hızlı: 3.33 × 10 ^ -12 s × 3 × 10 ^ 8 m / s = 10 ^ -3 m = 1mm.

— starblue

@Olin Lathrop Anlaşmalı, son nesillerdeki sızıntı başlıca sınırlayıcıdır. Çoğunlukla 90nm'den 45nm'ye geçişi referans alıyordum ki bu neredeyse doğrusal bir güç azalmasına sahipti. Bu doğrusallık, söylediğiniz gibi 45nm'nin altında değil.

— Mark

5

Ana sebep bahsettiğiniz ilk nedendir. Gofretler (ne tabak denir) çok pahalıdır, bu yüzden onlardan en iyi şekilde yararlanmak istersiniz. Daha önce gofretler 3 inç çapındaydı, bugün 12 inç, bu sadece 16 kat daha fazla gayrimenkul vermekle kalmıyor, aynı zamanda onlardan daha fazla ölüyor.
Dolayısıyla, bu teknolojiyi kule PC'lerde kullanılan CPU'lar için de kullanacakları açıktır, orada gerekli görünmese bile. Dizüstü bilgisayarların da bu tür CPU'ları olduğunu ve alan açısından bütçede olduklarını unutmayın.
Hız da bir endişe kaynağıdır, 3 GHz sinyalleri saat döngüsü başına 10 cm'den daha az hareket eder. Bunun 1 / 10'undan başlayarak, iletim hattı etkilerine dikkat etmeliyiz. Ve bu 1 cm'den daha az.

düzenlemek
küçük özellik boyutu da daha az kapısı kapasitansı anlamına gelir ve bu yüksek hızı sağlar. Daha hızlı anahtarlama, daha az güç tüketimi anlamına gelir, çünkü MOSFET'ler aktif bölgelerinde daha hızlı ilerler. Pratikte üreticiler daha hızlı çalışmak için bundan faydalanırlar, böylece sonunda bu güç azalmasının çoğunu göremezsiniz.

— stevenvh
kaynak

2

300 000 000 metre / 3000000 000 Hz = 0,1 metre, bu 10 cm, değil mi?

— Kromster, Monica

3

Gofretler ucuz, gofret başına 100 $. Pahalı olan patlamadır - stepler saatte maksimum 120 gofret işleyebilir ve her gofret 20 patlamaya ihtiyaç duyar.

— Barlar Canavar

1

@BarsMonster bir gofret mahvetmek patlama olamaz? Afedersiniz! :)

— Kenny

1

@kenny Gofretin fiziksel hasarı modern fab'da pek olası değildir. Mikroskobik kusurlar - her zaman buradalar.

— Canavarlar

2

@stevenvh: evet, BarsMonster ne dedi. Milyon dolarlık bir püskürtme makinesi olduğunda ve ömrü boyunca yüz bin (?) Gofret işlerken, "gofret başına toplam maliyet" in bir parçası olarak bunu ve fab'daki diğer makineleri düşünmek en basittir. Maskelenmemiş saf silikon diskleri satın almaktan kaynaklanan "gofret başına toplam maliyet" oranı neredeyse önemsizdir.

— davidcary

0

CPU'ların küçülmeye devam etmesinin CORE nedeni basitçe, hesaplamada daha küçük olanın daha güçlü olmasıdır :

İlk yaklaşım olarak, hesaplama iki temel eylem içerir: bilgiyi bir yerden bir yere aktarmak ve yeni bilgi üretmek için bilgi dizilerini birleştirmek. Burada elektronik kullanmaya alışık olduğumuzdan, bu eylemler için 'teller' ve 'anahtarlar' için donanımı çağıralım. Her ikisi için de daha küçük daha iyidir:

Teller: Bir kablodaki iletim hızı esasen sabit olduğundan, bir yerden (örn. Anahtar) başka bir yere bilgi almak istiyorsanız , teli kısaltmanız gerekir . (daha hızlı bir hız elde edebilirsiniz, ancak sonunda ışık sınırının hızına ulaşırsınız, bu noktada kısaltmaya geri döndünüz).

Anahtarlar: Anahtar, anahtarın gövdesine giren ve bunlara zarar veren bir veya daha fazla giriş kablosundan gelen bilgilerle çalışır ve dahili durumunun bir veya daha fazla çıkış kablosundaki bilgileri modüle edecek şekilde dönüşmesine neden olur. Daha küçük bir anahtarın gövdesine zarar vermek daha az zaman alır.

— pMAR
kaynak