¿Por qué más, los transistores más pequeños aumentan la eficiencia energética?

La mayor parte del consumo de energía en los circuitos CMOS es 'potencia dinámica': la potencia del estado de conmutación de los dispositivos. Esta potencia es básicamente la potencia requerida para impulsar la capacitancia de las otras compuertas, así como la capacitancia del cableado.

En el CMOS moderno, hay una potencia de fuga estática adicional porque cuando el transistor MOS está 'apagado', todavía permite que fluya una pequeña corriente de fuga, y dado el número de dispositivos en una CPU moderna, la corriente total se vuelve significativa. Sin embargo, hay técnicas para minimizar esto.

A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, obtiene una serie de beneficios:

1. Las capacitancias del dispositivo disminuyen, por lo que se requiere menos energía para impulsar esta capacitancia.
2. Los dispositivos son más pequeños y más cercanos entre sí, por lo que también disminuye la capacitancia parásita del cableado.
3. Se puede hacer que los dispositivos operen a voltajes de suministro más bajos, por lo que tanto la corriente de fuga como la potencia requerida para impulsar las capacidades parásitas disminuyen.

Generalmente, las corrientes de fuga aumentan a medida que los dispositivos se hacen más pequeños (no en realidad porque son más pequeños, sino porque los voltajes de umbral más bajos permiten mayores fugas). Se utilizan técnicas de conmutación de potencia más complejas para mantener esto bajo control.

El consumo dinámico de energía se debe a las capacidades de la puerta que se cargan y descargan. La potencia es proporcional a C * F * V ^ 2. C es la capacitancia de la puerta (o proceso), F es la frecuencia y V es el voltaje. Dado que el término V es cuadrado, reducir el voltaje reduce considerablemente el consumo de energía.

Los transistores más pequeños y de menor voltaje tienen capas de aislamiento más delgadas en la compuerta, por lo que tienen más fugas de corriente estática (aunque el material es un buen aislante, el trayecto es muy corto, por lo que hay algunas fugas). Recuerdo que una vez, tal vez alrededor del año 2000, se habló de que el poder estático y dinámico se cruzaría, y que la estática se volvería más significativa que dinámica para los procesadores de gama alta (Intel PC y similares). Sin embargo, creo que descubrieron trucos para reducir la potencia estática. Y de alguna manera dejé de prestar atención a esa área de la industria.

Hasta un límite, los transistores más pequeños ayudan a reducir los requisitos de la unidad de voltaje porque el óxido de su compuerta es más delgado y, por lo tanto, el control de la compuerta es más fuerte debido a que la compuerta está más cerca del canal.

Los transistores más pequeños también ayudan a reducir la capacitancia, lo que resulta en una menor corriente dinámica del variador.

Tanto la tensión como la corriente son menores, lo que se traduce en menores requisitos de potencia.

La limitación de esta escala es cuando el grosor del óxido de la puerta es tan delgado que se producen túneles cuánticos y la longitud del canal es tan corta que tienes que luchar contra los efectos de los canales cortos.

los transistores más pequeños no aumentan mucho la eficiencia de potencia. Pero si puede poner muchos más transistores en una CPU, esta CPU hará las matemáticas mucho más rápido, por lo que se utilizará menos energía y, por lo tanto, será más eficiente.