ทำไมซีพียูจึงเล็กลงเรื่อย ๆ ?

19

เป็นความจริงที่ทราบกันดีว่าโปรเซสเซอร์เวลา (หรือชิป) เมื่อเวลาผ่านไปมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ Intel และ AMD กำลังแข่งขันกันเพื่อมาตรฐานที่เล็กที่สุด (45nm, 32nm, 18nm, .. ) แต่ทำไมการมีองค์ประกอบที่เล็กที่สุดในพื้นที่ชิปที่เล็กที่สุดจึงเป็นสิ่งสำคัญ

ทำไมไม่สร้างซีพียู 90nm 5x5cm? ทำไมบีบ 6 แกนในพื้นที่ 216 มม. มันจะง่ายกว่าในการกระจายความร้อนจากพื้นที่ขนาดใหญ่การผลิตจะต้องใช้เทคโนโลยีที่แม่นยำน้อยลง

ฉันนึกถึงเหตุผลไม่กี่ข้อ:

ขนาดที่น้อยลงหมายถึงชิปอื่น ๆ สามารถผลิตได้ในเวเฟอร์เดียว (แต่เวเฟอร์ไม่ได้แพงมากใช่ไหม?)
ขนาดเล็กลงมีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์พกพา (แต่พีซีทุกวันยังคงใช้กล่องแบบทาวเวอร์)
ขนาดเล็กถูกกำหนดโดยการ จำกัด ความเร็วแสงชิปไม่สามารถมีขนาดใหญ่กว่าระยะทางที่สนาม EM สามารถเดินทางได้ใน 1 รอบ (แต่นั่นคือประมาณหลายซม. ที่ 3GHz)

เหตุใดชิปจึงต้องเล็กลงเรื่อย ๆ

cpu integrated-circuit

— Kromster พูดว่าสนับสนุนโมนิก้า
แหล่งที่มา

3

กฎหมายมากขึ้น? :)

— kenny

ในกรณีส่วนใหญ่ขนาดแพคเกจสุดท้ายสิ่งที่สำคัญสำหรับการติดตั้งในโทรศัพท์มือถือขึ้นอยู่กับประเภทของบรรจุภัณฑ์และจำนวนพิน กล่าวอีกนัยหนึ่งขนาดตายจริงโดยทั่วไปจะเล็กกว่าแพ็คเกจจะบ่งบอกแม้สำหรับกระบวนการที่ใหญ่กว่า บรรจุภัณฑ์เป็นส่วนใหญ่ของต้นทุนการผลิตจำนวนพินสูง IC มากกว่าที่คุณคิดและบางครั้งมากกว่าการผลิตแม่พิมพ์จริง

— Mark

@ Mark - ผู้ผลิตโทรศัพท์มือถือต้องการ CSP (Chip Scale Packages) มากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับ Die คุณแทบจะไม่สามารถพิสูจน์แพ็กเกจเช่น TQFP ในสมาร์ทโฟนได้อีกต่อไปพวกเขาไม่ได้ใช้พื้นที่มากเกินไป

— stevenvh

@stevenvh ฉันคิดว่าเราพูดในสิ่งเดียวกันการเลือกบรรจุภัณฑ์และการรวมตัวของชิปหลาย ๆ อันไว้ในแพ็คเกจเดียวเพื่อลดจำนวนพินและความต้องการส่วนประกอบภายนอกกำลังผลักดันการลดขนาดของไอซีสำหรับการใช้โทรศัพท์มือถือ ขนาดกระบวนการโดยทั่วไปไม่ใช่ปัจจัย จำกัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่มีจำนวนพินสูง

— Mark

8

เพื่อความชัดเจน CPU จะไม่เล็กลงจริง ๆ พวกมันจะมีขนาดเท่ากัน แต่มีทรานซิสเตอร์มากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากขนาดของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวลดลง

— David Schwartz

34

มันเหมือนลูกกวาด พวกเขาทำให้พวกเขาเล็กลงในราคาเดียวกันเพื่อเพิ่มผลกำไร

แม้ว่าจะมีเหตุผลที่ดีสำหรับชิปเล็ก ๆ สิ่งแรกและสำคัญที่สุดคือชิปมากขึ้นสามารถใส่ลงในแผ่นเวเฟอร์ได้ สำหรับชิปขนาดใหญ่ค่าใช้จ่ายทั้งหมดเกี่ยวกับเศษเสี้ยวของเวเฟอร์ที่ใช้ ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการเวเฟอร์ค่อนข้างคงที่โดยไม่คำนึงถึงจำนวนชิปที่เป็นผลมาจากมัน

การใช้เวเฟอร์ที่มีราคาแพงน้อยนั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น อัตราผลตอบแทนเป็นอื่น ๆ เวเฟอร์ทั้งหมดมีข้อบกพร่อง คิดว่าพวกเขามีขนาดเล็ก แต่กระจัดกระจายแบบสุ่มเกี่ยวกับเวเฟอร์และ IC ใด ๆ ที่พบความไม่สมบูรณ์อย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้เป็นถังขยะ เมื่อเวเฟอร์ถูกปกคลุมด้วยไอซีขนาดเล็กจำนวนมากมีเพียงเศษเสี้ยวของผลรวมเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่เป็นขยะ ในขณะที่ขนาด IC เพิ่มขึ้นส่วนของพวกเขาที่ตีไม่สมบูรณ์จะเพิ่มขึ้น ในฐานะที่เป็นตัวอย่างที่ไม่จริงที่ชี้ให้เห็นถึงปัญหาให้พิจารณากรณีที่ทุกเวเฟอร์มีความไม่สมบูรณ์อย่างใดอย่างหนึ่งและถูกครอบคลุมโดย IC หนึ่งตัว ผลผลิตจะเป็น 0 หากถูกปกคลุมด้วย 100 ไอซีผลตอบแทนจะเป็น 99%

มีจำนวนมากกว่าที่จะให้ผลได้มากกว่านี้และนี่เป็นการทำให้ปัญหาใหญ่เกินไป แต่เอฟเฟกต์ทั้งสองนี้จะผลักดันชิปที่เล็กลงให้ประหยัดมากขึ้น

สำหรับไอซีที่เรียบง่ายจริงๆค่าใช้จ่ายในการบรรจุและการทดสอบนั้นสูงมาก ในกรณีดังกล่าวขนาดของฟีเจอร์ไม่ได้เป็นปัญหาในการขับขี่มากนัก นี่คือเหตุผลหนึ่งที่เราได้เห็นการระเบิดของแพคเกจขนาดเล็กและราคาถูกเมื่อเร็ว ๆ นี้ โปรดทราบว่าขนาดฟีเจอร์ขนาดเล็กที่สุดกำลังถูกผลักดันโดย IC ขนาดใหญ่เช่นโปรเซสเซอร์หลักและ GPU

— แลงทรอฟ
แหล่งที่มา

17

นอกจากนี้แท่งโลหะซิลิคอนยังเป็นทรงกลมดังนั้นคุณจึงสูญเสียชิปมากขึ้นต่อเวเฟอร์เมื่อชิปมีขนาดใหญ่ขึ้นเช่น คุณสามารถใส่ชิปสี่เหลี่ยมที่เล็กกว่าลงในวงกลมได้

— Martin

2

+1 @ มาร์ตินไม่ต้องพูดถึงมันอยู่ที่ขอบของเวเฟอร์ที่เราพบความล้มเหลวของอุปกรณ์จำนวนมาก

— kenny

1

@endolith: คิดว่าการปรับแต่งโซนทำงานอย่างไร การตัดแบบวงกลมเป็นรูปร่างที่เหมาะสมที่สุด

— Olin Lathrop

1

รูรอบขอบสามารถเติมด้วยลูกเต๋าที่มีขนาดเล็กลงได้ถ้าหากโครงสร้าง (การเติมสารตั้งต้น, เทคโนโลยีทรานซิสเตอร์, การนับชั้นโลหะ, ฯลฯ ) จะเหมือนกันสำหรับทั้งลูกเต๋าที่มีขนาดใหญ่และเล็ก นอกจากนี้อัตราการผลิตสำหรับอุปกรณ์ทั้งสองจะเชื่อมโยงกันและอาจไม่คล้ายกับอัตราความต้องการสำหรับสองส่วนที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่คุณจะได้รับเคล็ดลับนั้น

— Mike DeSimone

7

แผ่นเวเฟอร์จะต้องมีรอบเพราะกระบวนการผลิต เพื่อสร้างซิลิกอนผลึกเดี่ยวผลึกสตาร์ตเตอร์ถูกจุ่มลงในอ่างที่หลอมเหลวซิลิคอนที่เจือด้วยแล้วจะถูกถอนออกอย่างช้าๆในขณะที่หมุนคริสตัล การควบคุมการหมุนและความเร็วในการสกัดที่แม่นยำนั้นกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของคริสตัลและป้องกันการเกิดข้อผิดพลาดของคริสตัลไลน์ เส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวนั้นถูก จำกัด ด้วยข้อพิจารณาเชิงกลเช่นคุณสามารถดึงได้มากเท่าไรก่อนที่มันจะแตกและตกลงมาหลังจากนั้นมันจะถูกตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์และขัดเงา

— Mike DeSimone

21

เมื่อขนาดของกระบวนการเล็กลงการใช้พลังงานจึงลดลง

กระบวนการทรานซิสเตอร์ที่เล็กกว่าอนุญาตให้ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่ารวมกับการปรับปรุงเทคนิคการก่อสร้างหมายความว่าโปรเซสเซอร์ ~ 45nm สามารถใช้พลังงานน้อยกว่าครึ่งหนึ่งที่โปรเซสเซอร์ 90nm ใช้กับจำนวนทรานซิสเตอร์ที่คล้ายกัน

เหตุผลนี้เป็นเพราะประตูทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์และความจุของเกต (กระแสไดรฟ์ที่ต้องการ) ลดลง

ควรสังเกตว่าในขณะที่แลงชี้ให้เห็นว่าการปรับปรุงในระดับนี้จะไม่ดำเนินต่อไปจนถึงขนาดกระบวนการที่เล็กลงเนื่องจากกระแสรั่วไหลมีความสำคัญมาก

หนึ่งในคะแนนอื่น ๆ ของคุณความเร็วที่สัญญาณสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ชิปได้:

ที่ 3 กิกะเฮิร์ตซ์ความยาวคลื่นคือ 10 ซม. อย่างไรก็ตามความยาวคลื่น 1 / 10th คือ 1 ซม. ซึ่งเป็นจุดที่คุณต้องเริ่มพิจารณาเอฟเฟกต์สายส่งสัญญาณดิจิตอล นอกจากนี้โปรดจำไว้ว่าในกรณีของโปรเซสเซอร์ Intel บางส่วนของชิปทำงานที่ความเร็วนาฬิกาสองเท่าดังนั้น 0.5 ซม. จึงกลายเป็นระยะทางสำคัญสำหรับเอฟเฟกต์สายส่ง หมายเหตุ: พวกเขาอาจทำงานบนขอบนาฬิกาทั้งสองในกรณีนี้หมายความว่านาฬิกาไม่ทำงานที่ 6Ghz แต่กระบวนการบางอย่างกำลังดำเนินการกำลังเคลื่อนย้ายข้อมูลที่รวดเร็วและต้องคำนึงถึงผลกระทบ

เอฟเฟกต์สายส่งภายนอกคุณต้องพิจารณาซิงโครไนซ์นาฬิกาด้วย จริง ๆ แล้วฉันไม่รู้ว่าความเร็วการแพร่กระจายนั้นอยู่ในไมโครโปรเซสเซอร์สำหรับลวดทองแดงที่ไม่มีการหุ้มซึ่งมีค่าเท่ากับ 95% ของความเร็วแสง แต่สำหรับเล้าโลมจะมีค่าเท่ากับ 60% ของความเร็วแสง

ที่ 6Ghz ช่วงเวลาของนาฬิกาเพียง 167 picosecondsดังนั้นเวลาสูง / ต่ำคือ ~ 84 picoseconds ในสูญญากาศแสงสามารถเดินทาง 1 ซม. ใน 33.3 picosends หากความเร็วการแพร่กระจายเป็น 50% ความเร็วของแสงแล้วมันจะมีค่ามากกว่า 66.6 picoseconds ในการเดินทาง 1 ซม. เมื่อรวมกับความล่าช้าในการแพร่กระจายของทรานซิสเตอร์และส่วนประกอบอื่น ๆ อาจหมายความว่าเวลาที่สัญญาณใช้ในการเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ แม้จะมีดายขนาดเล็กที่ 3-6Ghz ก็มีความสำคัญสำหรับการคงการซิงโครไนซ์นาฬิกาที่เหมาะสม

— เครื่องหมาย
แหล่งที่มา

4

กำลังไฟดับลงโดยขนาดของคุณสมบัติไปยังจุดหนึ่ง แรงดันสวิตช์ที่ต่ำกว่าทำให้อัตราส่วนของ FETs เปิดและปิดสถานะเล็กลง ซึ่งหมายความว่ามีการรั่วไหลของรัฐจำนวนมากที่จะได้รับความต้านทานต่ำรัฐเพียงพอ เป็นผลให้พลังงานรั่วไหลเป็นส่วนสำคัญของพลังงานที่จำเป็นในการใช้งานโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัย กำลังไฟยังคงเพิ่มขึ้นตามอัตรานาฬิกา แต่อัตรานาฬิกาสูงสุดถูก จำกัด โดยพลังการรั่วซึมของเปลือกนอกที่มีอยู่เสมอ มีการแลกเปลี่ยนที่น่าสนใจมากมายในโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัยและระยะเวลาระหว่างพวกเขาเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว

— Olin Lathrop

1

แสงของคุณเร็วกว่าสิบเท่า: 3.33 × 10 ^ -12 s × 3 × 10 ^ 8 m / s = 10 ^ -3 m = 1 มม.

— starblue

@Olin Lathrop เห็นด้วยในการรั่วไหลรุ่นล่าสุดเป็นข้อ จำกัด ที่สำคัญ ฉันส่วนใหญ่อ้างอิงการเปลี่ยนแปลงจาก 90nm เป็น 45nm ซึ่งมีการลดลงเชิงเส้นเกือบในอำนาจ ลิเนียริตี้นั้นไม่ได้อยู่ภายใต้ 45nm อย่างที่คุณพูด

— Mark

5

เหตุผลหลักคือสิ่งแรกที่คุณพูดถึง เวเฟอร์ (ที่คุณเรียกว่าเพลท) มีราคาแพงมากดังนั้นคุณจึงต้องการได้ประโยชน์สูงสุดจากพวกเขา เวเฟอร์ขนาดก่อนหน้านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 นิ้ววันนี้มีขนาด 12 นิ้วซึ่งไม่เพียง แต่จะช่วยให้คุณได้อสังหาริมทรัพย์มากขึ้น 16 เท่า แต่คุณยังได้รับความตายจากพวกเขามากกว่า
ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าพวกเขาจะใช้เทคโนโลยีนี้สำหรับซีพียูที่ใช้ในพีซีทาวเวอร์แม้ว่ามันจะไม่ดูเหมือนว่ามันจำเป็น และอย่าลืมว่าแล็ปท็อปพีซีมีซีพียูชนิดนี้เช่นกันและมีงบประมาณเท่าที่มีพื้นที่เกี่ยวข้อง
ความเร็วยังเป็นปัญหาที่สัญญาณ 3 GHz เดินทางน้อยกว่า 10 ซม. ต่อรอบสัญญาณนาฬิกา เป็นกฎง่ายๆตั้งแต่วันที่ 1 / 10th ของที่เราต้องดูแลผลกระทบของสายส่ง และนั่นน้อยกว่า 1 ซม.

แก้ไข
ขนาดฟีเจอร์ที่เล็กลงหมายถึงความจุของเกทน้อยลงและทำให้ความเร็วสูงขึ้น การสลับที่เร็วขึ้นหมายถึงการใช้พลังงานน้อยลงเนื่องจาก MOSFET จะทำงานได้เร็วขึ้นในพื้นที่ที่ใช้งานอยู่ ในทางปฏิบัติผู้ผลิตใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้เพื่อนาฬิกาได้เร็วขึ้นดังนั้นในที่สุดคุณจะไม่เห็นการลดพลังงานมากนัก

— stevenvh
แหล่งที่มา

2

300,000 000 เมตร / 3 000 000 000 เฮิร์ต = 0.1 เมตรนั่นคือ 10 ซม. จริงไหม?

— Kromster พูดว่าสนับสนุน Monica

3

เวเฟอร์มีราคาถูก 100 $ ต่อแผ่นเวเฟอร์ สิ่งที่มีราคาแพงคือการเปิดเผย - ผู้คุมสามารถประมวลผลเวเฟอร์ได้สูงสุด 120 ต่อชั่วโมงและเวเฟอร์แต่ละอันต้องการระเบิดได้ถึง 20 ครั้ง

— BarsMonster

1

@BarsMonster ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำลายเวเฟอร์หรือไม่ ขออภัย! :)

— kenny

1

@ kenny ความเสียหายทางกายภาพต่อเวเฟอร์ไม่น่าจะสูงมากที่ fab สมัยใหม่ ข้อบกพร่องด้วยกล้องจุลทรรศน์ - พวกเขาอยู่ที่นี่เสมอ

— BarsMonster

2

@stevenvh: ใช่สิ่งที่ BarsMonster พูด เมื่อมีเครื่องสปัตเตอรีหนึ่งล้านดอลลาร์และจะประมวลผลเวเฟอร์ (?) หนึ่งแสนตลอดอายุการใช้งานมันง่ายที่สุดที่จะนึกถึงมันและเครื่องจักรอื่น ๆ ที่ยอดเยี่ยมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ สัดส่วนของ "ต้นทุนรวมต่อเวเฟอร์" ที่มาจากการซื้อดิสก์ซิลิกอนบริสุทธิ์ที่ไม่ได้เปิดเผยนั้นแทบไม่มีนัยสำคัญ

— davidcary

0

เหตุผลหลักที่ทำไมซีพียูเริ่มมีขนาดเล็กลงนั่นคือในการคำนวณมีขนาดเล็กลงมีประสิทธิภาพมากกว่า :

ในการประมาณแรกการคำนวณเกี่ยวข้องกับการกระทำพื้นฐานสองประการ: การส่งข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งและการรวมกลุ่มของข้อมูลเพื่อสร้างข้อมูลใหม่ เนื่องจากเราคุ้นเคยกับการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นี่เราจะเรียกฮาร์ดแวร์สำหรับ 'สาย' และ 'สวิทช์' การกระทำเหล่านี้ สำหรับทั้งสองข้อนี้เล็กกว่าดีกว่า:

สาย: ตั้งแต่ความเร็วในการส่งบนลวดที่เป็นค่าคงที่เป็นหลักแล้วถ้าคุณต้องการที่จะได้รับข้อมูลจากที่หนึ่ง (เช่นสวิทช์) ไปยังอีกที่คุณต้องร่นลวด (คุณอาจจะสามารถบรรลุความเร็วที่เร็วขึ้น แต่ในที่สุดคุณก็จะถึงความเร็วของการ จำกัด แสงซึ่งเป็นจุดที่คุณถูกบังคับให้กลับมาสั้นลง)

สวิตช์: สวิตช์ทำงานโดยใช้ข้อมูลจากสายอินพุตหนึ่งเส้นหรือมากกว่าเข้ามาและทำให้ร่างกายของสวิทซ์อ่อนลงทำให้สถานะภายในเปลี่ยนไปเพื่อปรับเปลี่ยนข้อมูลในสายไฟเอาต์พุตหนึ่งเส้นหรือมากกว่า ใช้เวลาน้อยลงในการทำให้ร่างกายสวิทช์เล็กลง

— PMar
แหล่งที่มา