¿Por qué las CPU son cada vez más pequeñas?

Question

Es un hecho conocido que con el tiempo los procesadores (o chips) son cada vez más pequeños. Intel y AMD están en una carrera por los estándares más pequeños (45nm, 32nm, 18nm, ..). Pero, ¿por qué es tan importante tener los elementos más pequeños en el área más pequeña del chip?

¿Por qué no hacer una cpu de 90nm 5x5cm? ¿Por qué apretar 6 núcleos en un área de 216mm2? Será más fácil disipar el calor de un área mayor, la fabricación requerirá una tecnología menos precisa (y por tanto más barata).

Se me ocurren pocas razones:

• un menor tamaño significa que se pueden fabricar más chips en una sola oblea (pero las obleas no son muy caras, ¿verdad?)
• los tamaños más pequeños son importantes para los aparatos móviles (pero los PC de uso cotidiano siguen utilizando cajas tipo torre)
• el tamaño reducido viene dictado por el límite de la velocidad de la luz, el chip no puede ser mayor que la distancia que puede recorrer un campo electromagnético en 1 ciclo (pero eso es aproximadamente varios centímetros a 3 GHz)

Entonces, ¿por qué los chips tienen que ser cada vez más pequeños?

Answer 1

Es como las barras de caramelo. Siguen haciéndolas más pequeñas al mismo precio para aumentar los beneficios.

Sin embargo, en serio, hay buenas razones para que los chips sean más pequeños. La primera y más importante es que pueden caber más chips en una oblea. En el caso de los chips grandes, el coste depende de la fracción de oblea que se utilice. El coste de procesar una oblea es prácticamente fijo, independientemente del número de chips que se produzcan.

Sin embargo, utilizar menos obleas costosas es sólo una parte. El rendimiento es la otra. Todas las obleas tienen imperfecciones. Piensa que son pequeñas pero están dispersas al azar por la oblea, y que cualquier CI que choque con una de estas imperfecciones es basura. Cuando la oblea está cubierta por muchos CI pequeños, sólo una pequeña fracción del total es basura. A medida que aumenta el tamaño del CI, aumenta la fracción de ellos que choca con una imperfección. Como ejemplo irreal, pero que pone de manifiesto el problema, consideremos el caso en el que cada oblea tiene una imperfección y está cubierta por un CI. El rendimiento sería 0. Si estuviera cubierto por 100 CI, el rendimiento sería del 99%.

El rendimiento es mucho más que esto, y esto es una gran simplificación de la cuestión, pero estos dos efectos hacen que los chips más pequeños sean más económicos.

En el caso de los circuitos integrados realmente sencillos, el coste de embalaje y de pruebas es el que predomina. En esos casos, el tamaño de las características no es tan importante. Esta es también una de las razones por las que últimamente hemos visto una explosión de embalajes más pequeños y baratos. Hay que tener en cuenta que los circuitos integrados muy grandes, como los procesadores principales y las GPU, están impulsando un tamaño de características extremadamente pequeño.

Answer 2

A medida que el tamaño del proceso se reduce, el consumo de energía disminuye.

Los procesos de transistores más pequeños permiten el uso de voltajes más bajos, lo que unido a las mejoras en la técnica de construcción hace que un procesador de ~45nm pueda utilizar menos de la mitad de la energía que un procesador de 90nm con un número de transistores similar.

La razón es que, a medida que la puerta del transistor se hace más pequeña, la tensión de umbral y la capacitancia de la puerta (corriente de accionamiento necesaria) se reducen.

Hay que tener en cuenta que, como señaló Olin, este nivel de mejora no se mantiene en tamaños de proceso más pequeños, ya que la corriente de fuga se vuelve muy importante.

Uno de sus otros puntos, la velocidad a la que las señales pueden viajar alrededor del chip:

A 3ghz la longitud de onda es de 10cm, sin embargo la décima parte de la longitud de onda es de 1cm que es donde hay que empezar a considerar los efectos de la línea de transmisión para las señales digitales. Además, recuerde que en el caso de los procesadores Intel algunas partes del chip funcionan al doble de la velocidad del reloj, por lo que 0,5 cm se convierte en la distancia importante para los efectos de la línea de transmisión. NOTA: en este caso pueden estar operando en ambos bordes del reloj, lo que significa que el reloj no funciona a 6Ghz pero algunos procesos en marcha están moviendo los datos tan rápido y tienen que considerar los efectos.

Aparte de los efectos de la línea de transmisión, también hay que tener en cuenta la sincronización del reloj. En realidad no sé cuál es la velocidad de propagación dentro de un microprocesador, para el cable de cobre sin blindaje es como el 95% de la velocidad de la luz, pero para el coaxial es como el 60% de la velocidad de la luz.

A 6Ghz el periodo de reloj es de sólo 167 picosegundos el tiempo tan alto/bajo es de ~ 84 picosegundos. En el vacío, la luz puede viajar 1cm en 33,3 picosegundos. Si la velocidad de propagación fuera el 50% de la velocidad de la luz, entonces es más bien 66,6 picosegundos para viajar 1 cm. Esto, combinado con los retrasos de propagación de los transistores y posiblemente de otros componentes, significa que el tiempo que la señal tarda en desplazarse incluso por un pequeño dado a 3-6Ghz es significativo para mantener una correcta sincronización del reloj.

Answer 3

La razón principal es la primera que has mencionado. Las obleas (lo que usted llama placas) son muy caros, por lo que se quiere sacar el máximo provecho de ellos. Las obleas anteriores tenían un diámetro de 3 pulgadas, mientras que las actuales son de 12 pulgadas, lo que no sólo proporciona 16 veces más espacio, obviamente, sino que se obtienen aún más troqueles.
Así que está claro que usarían esta tecnología también para las CPUs usadas en los PCs de torre, aunque no parece que sea necesario allí. Y no hay que olvidar que los PCs portátiles también tienen este tipo de CPUs, y tienen un presupuesto en cuanto a espacio.
La velocidad también es un problema: a 3 GHz las señales viajan menos de 10 cm por ciclo de reloj. Como regla general, a partir de 1/10 de eso hay que tener en cuenta los efectos de la línea de transmisión. Y eso es menos de 1 cm.

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Un menor tamaño de las características también implica una menor capacitancia de puerta, lo que permite una mayor velocidad. Una conmutación más rápida significa menos consumo de energía, ya que los MOSFETs pasan más rápido por su región activa. En la práctica, los fabricantes aprovechan esta circunstancia para acelerar el reloj, por lo que al final no se aprecia mucho esta reducción de potencia.

Answer 4

La razón principal por la que las CPUs son cada vez más pequeñas es simplemente que, en informática, lo más pequeño es más potente :

En una primera aproximación, la computación implica dos acciones básicas: transmitir información de un lugar a otro y combinar hebras de información para producir nueva información. Como estamos acostumbrados a utilizar la electrónica, llamaremos al hardware de estas acciones "cables" e "interruptores". En ambos casos, lo más pequeño es lo mejor:

Cables: Dado que la velocidad de transmisión en un cable es esencialmente constante, si se quiere llevar información de un lugar (por ejemplo, un interruptor) a otro, hay que acortar el cable . (se puede alcanzar una velocidad mayor, pero finalmente se llega al límite de la velocidad de la luz, momento en el que se ve obligado a volver a acortar).

Conmutadores: Un conmutador funciona porque la información de uno o varios cables de entrada entra y se impregna en el cuerpo del conmutador, haciendo que su estado interno se transforme para modular la información de uno o varios cables de salida. Simplemente, se tarda menos tiempo en inundar el cuerpo de un interruptor más pequeño.