¿Por qué las CPU se hacen cada vez más pequeñas?

Es como barras de caramelo. Siguen haciéndolos más pequeños al mismo precio para aumentar las ganancias.

Seriosamente, sin embargo, hay buenas razones para chips más pequeños. Lo primero y más importante es que se pueden colocar más fichas en una oblea. Para los chips grandes, el costo tiene que ver con qué fracción de una oblea usa. El costo de procesar una oblea es bastante fijo, independientemente de la cantidad de chips que se generen.

Sin embargo, usar menos de la costosa oblea es solo una parte. El rendimiento es el otro. Todas las obleas tienen imperfecciones. Piense en ellos como pequeños pero dispersos al azar sobre la oblea, y cualquier IC que golpee una de estas imperfecciones es basura. Cuando la oblea está cubierta por muchos IC pequeños, solo una pequeña fracción del total es basura. A medida que aumenta el tamaño del CI, la fracción de los que golpean una imperfección aumenta. Como un ejemplo irreal que señala el problema, considere el caso en el que cada oblea tiene una imperfección y está cubierta por un IC. El rendimiento sería 0. Si estuviera cubierto por 100 CI, el rendimiento sería del 99%.

El rendimiento es mucho más que esto, y esto simplifica mucho el problema, pero estos dos efectos hacen que los chips más pequeños sean más económicos.

Para ICs realmente simples, el costo de empaquetado y prueba domina. En esos casos, el tamaño de las características no es tanto un problema de conducción. Esta es también una de las razones por las que hemos visto una explosión de paquetes más pequeños y más baratos últimamente. Tenga en cuenta que los IC muy grandes, como los procesadores principales y las GPU, están impulsando el tamaño de las funciones extremadamente pequeñas.

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

Los procesos de transistores más pequeños permiten el uso de voltajes más bajos combinados con las mejoras en la técnica de construcción, lo que significa que un procesador de ~ 45nm puede usar menos de la mitad de la potencia que un procesador de 90nm con recuentos de transistores similares.

El motivo de esto es que a medida que la compuerta del transistor se hace más pequeña, la tensión de umbral y la capacitancia de la compuerta (corriente de excitación requerida) se reducen.

Se debe tener en cuenta que, como Olin señaló, este nivel de mejora no continúa con procesos de menor tamaño, ya que la corriente de fuga es muy importante.

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

A 3 GHz, la longitud de onda es de 10 cm, sin embargo, la longitud de onda 1/10 es de 1 cm, que es donde debe comenzar a considerar los efectos de la línea de transmisión para señales digitales. Además, recuerde que en el caso de los procesadores Intel, algunas partes del chip se ejecutan 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: pueden estar operando en ambos bordes del reloj en este caso, lo que significa que el reloj no funciona a 6 Ghz, pero algunos procesos que están en marcha mueven los datos tan rápido y deben considerar los efectos.

Fuera de los efectos de la línea de transmisión, también debe considerar la sincronización del reloj. En realidad, no sé cuál es la velocidad de propagación dentro de un microprocesador, ya que el cable de cobre no apantallado 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 6 Ghz, el período de reloj es de solo 167 picosegundos , el tiempo tan alto / bajo es de ~ 84 picosegundos. En el vacío, la luz puede viajar 1 cm en 33.3 picosendos. Si la velocidad de propagación era 50% la velocidad de la luz, entonces es más como 66.6 picosegundos para viajar 1 cm. Esto, combinado con los retrasos de propagación de los transistores y posiblemente otros componentes, significa que el tiempo que tarda la señal en moverse incluso en un pequeño dado a 3-6 GHz es significativo para mantener la sincronización correcta del reloj.

La razón principal es la primera que mencionaste. Las obleas (lo que usted llama placas) son muy caras, por lo que desea aprovecharlas al máximo. Las obleas anteriores eran de 3 pulgadas de diámetro, las de hoy son de 12 pulgadas, lo que no solo le da 16 veces más bienes raíces, obviamente, sino que le da aún más troqueles. Así que está claro que usarían esta tecnología también para las CPU que se usan en las PC de torre, incluso si no parece que sea necesario allí. Y no olvide que las computadoras portátiles también tienen este tipo de CPU, y tienen un presupuesto limitado en lo que se refiere al espacio.
La velocidad también es una preocupación, a 3 GHz, las señales viajan a menos de 10 cm por ciclo de reloj. Como regla general, a partir del 1/10 de eso tenemos que cuidar los efectos de la línea de transmisión. Y eso es menos de 1 cm.

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Un tamaño de característica más pequeño también significa menos capacitancia de la compuerta, y esto permite una mayor velocidad. Una conmutación más rápida significa menos consumo de energía, ya que los MOSFET irán más rápido a través de su región activa. En la práctica, los fabricantes aprovechan esto para cronometrar más rápido, de modo que al final no verá gran parte de esta reducción de potencia.