ทำไมซีพียูจึงไม่ใหญ่กว่า [ปิด]

ซีพียูมีขนาดค่อนข้างเล็กและวิศวกรมักพยายามทำให้มันเล็กลงและรับทรานซิสเตอร์มากขึ้นในพื้นผิวเดียวกัน

ทำไมซีพียูจึงไม่ใหญ่กว่า หากความยาวประมาณ 260 มม. ²ตายสามารถถือทรานซิสเตอร์ได้ 758 ล้านตัว (AMD Phenom II x4 955) จากนั้น 520 มม. ²จะสามารถเก็บทรานซิสเตอร์ได้สองเท่าและเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาหรือแกนประมวลผลเป็นสองเท่าในทางเทคนิค ทำไมถึงไม่ทำแบบนี้?

โดยทั่วไปคุณพูดถูก: ในระยะสั้นการเพิ่มความเท่าเทียมไม่ได้เป็นไปได้เท่านั้น แต่เป็นวิธีเดียวที่จะไปได้ ในความเป็นจริงมัลติคอร์เช่นเดียวกับแคช pipelining และไฮเปอร์เธรดเป็นสิ่งที่คุณเสนอ: ความเร็วที่เพิ่มขึ้นจากการใช้พื้นที่ชิปเพิ่มขึ้น แน่นอนว่ารูปทรงที่หดตัวไม่ได้ชนกับการเพิ่มพื้นที่ใช้งาน อย่างไรก็ตามอัตราผลตอบแทนจากการตายเป็นปัจจัยที่ จำกัด อย่างมาก

อัตราผลตอบแทนตายจะเพิ่มขึ้นในสัดส่วนผกผันกับขนาดของแม่พิมพ์: แม่พิมพ์ขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะ "จับ" ข้อผิดพลาดของเวเฟอร์มากขึ้น หากความผิดพลาดเวเฟอร์กระทบตายคุณสามารถโยนมันทิ้งได้ เห็นได้ชัดว่ามีผลกระทบต่อต้นทุนตาย ดังนั้นจึงมีขนาดตายที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของต้นทุนเทียบกับกำไรต่อตาย

วิธีเดียวที่จะผลิตแม่พิมพ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมีนัยสำคัญคือการรวมโครงสร้างความทนทานต่อความผิดพลาดและความซ้ำซ้อน นี่คือสิ่งที่ Intel พยายามทำในโครงการ Terra-Scaleของพวกเขา(อัพเดท: และสิ่งที่ปฏิบัติกันอยู่แล้วในผลิตภัณฑ์ทุกวันตามที่ Dan ชี้ให้เห็น)

มีจำนวนมากกังวลทางด้านเทคนิค (ความยาวเส้นทางได้รับยาวเกินไปและคุณจะสูญเสียประสิทธิภาพการรบกวนทางไฟฟ้าทำให้เกิดเสียง) แต่เหตุผลหลักก็คือว่าที่ทรานซิสเตอร์จำนวนมากจะร้อนเกินไปที่จะเพียงพอเย็น นั่นเป็นเหตุผลทั้งหมดที่พวกเขากระตือรือร้นที่จะลดขนาดแม่พิมพ์ - ช่วยให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นในระดับความร้อนเดียวกัน

คำตอบหลายข้อที่ให้ไว้ที่นี่เป็นคำตอบที่ดี มีปัญหาทางเทคนิคในการเพิ่มขนาดของ CPU และจะนำไปสู่ความร้อนมากขึ้นในการจัดการกับ อย่างไรก็ตามพวกเขาทั้งหมดสามารถเอาชนะได้เนื่องจากมีแรงจูงใจเพียงพอ

ฉันต้องการที่จะเพิ่มสิ่งที่ผมเชื่อว่าเป็นปัญหาสำคัญ: เศรษฐศาสตร์ ซีพียูทำด้วยเวเฟอร์แบบนี้โดยมีซีพียูจำนวนมากต่อเวเฟอร์ ต้นทุนการผลิตที่แท้จริงคือต่อแผ่นเวเฟอร์ดังนั้นหากคุณเพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าของ CPU คุณสามารถใส่ได้เพียงครึ่งเดียวกับแผ่นเวเฟอร์ดังนั้นราคาต่อซีพียูจะเพิ่มเป็นสองเท่า นอกจากนี้เวเฟอร์ไม่ได้ออกมาสมบูรณ์แบบเสมอไปอาจมีข้อผิดพลาดได้ ดังนั้นการเพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าของความบกพร่องในซีพียูใด ๆ

ดังนั้นจากมุมมองทางเศรษฐกิจเหตุผลที่พวกเขามักทำสิ่งเล็กให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า / mm ^ 2 ซึ่งเป็นปัจจัยกำหนดราคา / ประสิทธิภาพ

TL: DR: นอกเหนือจากเหตุผลอื่น ๆ ที่กล่าวถึงการเพิ่มพื้นที่ของ CPU เป็นสองเท่ามากกว่าค่าใช้จ่ายสองเท่า

การเพิ่มทรานซิสเตอร์ให้กับโปรเซสเซอร์ไม่ได้ทำให้มันเร็วขึ้นโดยอัตโนมัติ

ความยาวพา ธ เพิ่มขึ้น == อัตรานาฬิกาช้าลง
การเพิ่มทรานซิสเตอร์มากขึ้นจะเพิ่มความยาวเส้นทาง การเพิ่มใด ๆ จะต้องใช้มีค่าหรือจะทำให้ต้นทุนความร้อนพลังงานเพิ่มขึ้น แต่ประสิทธิภาพลดลง

แน่นอนคุณสามารถเพิ่มแกนได้เสมอ ทำไมพวกเขาไม่ทำเช่นนี้? พวกเขาทำ

สมมติฐานทั่วไปของคุณผิด ซีพียูที่มีขนาดตายสองเท่าไม่ได้แปลว่ามันสามารถทำงานด้วยความเร็วสองเท่า สิ่งนี้จะเพิ่มพื้นที่เพิ่มเติมสำหรับการเพิ่มคอร์เพิ่มเติม (ดูชิป Intel หลายคอร์บางรุ่นที่มี 32 หรือ 64 คอร์) หรือแคชที่ใหญ่กว่า แต่ซอฟต์แวร์ปัจจุบันส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้งานได้มากกว่า 2 คอร์

ดังนั้นขนาดตายที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มราคาอย่างหนาแน่นโดยไม่ได้รับความสูงเท่ากัน หนึ่งในเหตุผลที่ทำให้ซีพียูเป็นแบบนี้

ในอิเล็กทรอนิคส์ SMALLER = เร็วกว่า 3GHz จะต้องมีขนาดเล็กกว่า 20MHz การเชื่อมต่อระหว่างกันที่มากขึ้น ESR ยิ่งมากขึ้นและยิ่งความเร็วช้าลง

การเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์เป็นสองเท่าไม่ได้เพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาเป็นสองเท่า

ค่าใช้จ่ายในการผลิตเวเฟอร์ดิบเป็นปัจจัย Monocrystalline silicon ไม่ฟรีและกระบวนการกลั่นค่อนข้างแพง ดังนั้นการใช้วัตถุดิบของคุณมากขึ้นทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น

สิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่สิ่งประดิษฐ์หรือไม่เช่นไดโนเสาร์เป็นสิ่งที่หลวม พื้นที่อัตราส่วน/ ปริมาตรไม่ยุติธรรมสำหรับการเอาชีวิตรอด: มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับพลังงานมากเกินไป - ทุกรูปแบบ - เข้าและออก

คิดว่า CPU เป็นเครือข่ายของโหนดที่เชื่อมต่อ (ทรานซิสเตอร์) เพื่อให้มีความสามารถมากขึ้นจำนวนของโหนดและเส้นทางระหว่างพวกเขาเพิ่มขึ้นในระดับ แต่การเพิ่มขึ้นนั้นเป็นเชิงเส้น ดังนั้นซีพียูรุ่นหนึ่งอาจมีล้านโหนดส่วนต่อไปอาจมี 1.5 ล้าน ด้วยการย่อขนาดของวงจรจำนวนโหนดและเส้นทางจะถูกย่อให้เล็กลง กระบวนการผลิตในปัจจุบันลดลงถึง 30 นาโนเมตร

สมมติว่าคุณต้องการห้าหน่วยต่อโหนดและระยะทางห้าหน่วยระหว่างสองโหนด จบเป็นเส้นตรงคุณสามารถสร้างบัส 22222 โหนดใน 1 ซม. ของพื้นที่ คุณสามารถสร้างเมทริกซ์จำนวน 493 ล้านโหนดในหน่วยตารางเซนติเมตร การออกแบบวงจรเป็นสิ่งที่มีตรรกะของ CPU การเพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าไม่ใช่สิ่งที่จะเพิ่มความเร็ว แต่จะทำให้วงจรมีตัวดำเนินการเชิงตรรกะมากขึ้น หรือในกรณีของซีพียูแบบมัลติคอร์เพื่อให้วงจรสามารถทำงานได้มากขึ้นในแบบคู่ขนาน การเพิ่มรอยเท้าจะลดความเร็วนาฬิกาจริง ๆ เพราะอิเล็กตรอนจะต้องเดินทางในระยะทางไกลผ่านวงจร