Pourquoi les CPU deviennent-ils de plus en plus petits?

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C'est un fait connu qu'avec le temps, les processeurs (ou puces) deviennent de plus en plus petits. Intel et AMD sont en course pour les plus petits standards (45nm, 32nm, 18nm, ..). Mais pourquoi est-il si important d'avoir les plus petits éléments sur la plus petite zone de puce?

Pourquoi ne pas faire un processeur 90nm 5x5cm? Pourquoi serrer 6 cœurs dans une zone de 216 mm2? Il sera plus facile de dissiper la chaleur d'une plus grande surface, la fabrication nécessitera une technologie moins précise (et donc moins chère).

Je peux penser à quelques raisons:

  • moins de taille signifie que plus de puces pourraient être faites sur une seule plaquette (mais les plaquettes ne sont pas très chères, non?)
  • les petites tailles sont importantes pour les gadgets mobiles (mais les PC de tous les jours utilisent toujours des boîtiers tour)
  • la petite taille est dictée par la limite de vitesse de la lumière, la puce ne peut pas être plus grande que la distance qu'un champ EM peut parcourir en 1 cycle (mais c'est environ plusieurs cm à 3GHz)

Alors, pourquoi les puces doivent-elles devenir de plus en plus petites?

cpu integrated-circuit Kromster dit soutenir Monica
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plus est la loi? :)
kenny
dans la majorité des cas, la taille finale de l'emballage, ce qui compte pour l'installer dans un téléphone portable, est déterminée par le type d'emballage et le nombre de broches. En d'autres termes, la taille réelle de la matrice est généralement beaucoup plus petite que ce que l'emballage indiquerait, même pour des processus plus importants. L'emballage représente une grande partie du coût de fabrication d'un circuit intégré à nombre de broches élevé, bien plus que vous ne le pensez et parfois plus que la fabrication de la puce réelle.
Mark
@Mark - Les fabricants de téléphones portables veulent de plus en plus de CSP (Chip Scale Packages), qui ont presque la même taille que la puce. Vous ne pouvez plus à peine justifier des packages comme TQFP dans les smartphones, ils sont trop peu d'espace.
stevenvh
@stevenvh Je pense que nous avons dit la même chose, les choix d'emballage et la condensation de plusieurs puces en un seul paquet pour réduire le nombre de broches et les besoins en composants externes entraînent principalement la miniaturisation des circuits intégrés pour l'utilisation des téléphones portables. La taille du processus n'est généralement pas le facteur limitant, en particulier dans les dispositifs à nombre de broches élevé.
Mark
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Pour être clair, les CPU ne deviennent pas réellement plus petits. Ils restent à peu près de la même taille mais contiennent de plus en plus de transistors car la taille de chaque transistor diminue.
David Schwartz

Réponses:

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C'est comme des friandises. Ils continuent de les rendre plus petits au même prix pour augmenter les bénéfices.

Mais sérieusement, il y a de bonnes raisons pour des puces plus petites. Le premier et le plus important est que davantage de puces peuvent être insérées sur une plaquette. Pour les grosses puces, le coût dépend de la fraction de tranche qu'il utilise. Le coût de traitement d'une plaquette est à peu près fixe, quel que soit le nombre de puces qui en résultent.

L'utilisation de moins de la tranche coûteuse n'est cependant qu'une partie. Le rendement est l'autre. Toutes les plaquettes ont des imperfections. Considérez-les comme étant petits mais dispersés de manière aléatoire autour de la plaquette, et tout CI qui frappe l'une de ces imperfections est une poubelle. Lorsque la tranche est recouverte de nombreux petits circuits intégrés, seule une petite fraction du total est constituée de déchets. À mesure que la taille du CI augmente, la fraction de ceux qui ont atteint une imperfection augmente. À titre d'exemple irréel qui souligne néanmoins le problème, considérons le cas où chaque plaquette présente une imperfection et est couverte par un CI. Le rendement serait de 0. S'il était couvert par 100 CI, le rendement serait de 99%.

Il y a beaucoup plus à céder que cela, et cela simplifie considérablement le problème, mais ces deux effets poussent les petites puces à être plus économiques.

Pour les circuits intégrés vraiment simples, le coût de l'emballage et des tests domine. Dans ces cas, la taille des fonctionnalités n'est pas tant un problème de conduite. C'est également une des raisons pour lesquelles nous avons vu une explosion de paquets plus petits et moins chers ces derniers temps. Notez que la taille extrêmement petite des fonctionnalités est poussée par de très grands circuits intégrés, comme les processeurs principaux et les GPU.

Olin Lathrop
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De plus, le lingot de silicium est rond, donc vous perdez plus de puces par tranche à mesure que les puces grossissent, c'est-à-dire. vous pouvez insérer des puces carrées plus petites dans un cercle.
Martin
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+1 @Martin, sans oublier que c'est sur les bords de la plaquette que nous trouvons de nombreuses pannes de périphériques.
kenny
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@endolith: Pensez au fonctionnement du raffinement de zone. Une coupe transversale est la forme optimale pour cela.
Olin Lathrop
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Les trous autour du bord peuvent être remplis de dés plus petits si et seulement si la structure (dopage du substrat, technologies des transistors, nombre de couches de métallisation, etc.) est la même pour les dés plus grands et plus petits. En outre, les taux de production des deux appareils sont liés et peuvent ne pas être similaires au taux de demande pour les deux pièces différentes. Par conséquent, il est rare que vous puissiez vous en tirer avec cette astuce.
Mike DeSimone
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La plaquette doit être ronde en raison du processus de fabrication. Pour créer un monocristal de silicium, un cristal de démarrage est plongé dans un bain de silicium dopé fondu et retiré lentement lors de la rotation du cristal. Un contrôle précis de la vitesse de rotation et d'extraction détermine à la fois le diamètre du cristal et empêche la formation de défauts polycristallins. Le diamètre et la longueur sont également limités par des considérations mécaniques, c'est-à-dire combien vous pouvez tirer avant qu'il ne se brise et ne retombe. Après cela, il est coupé en plaquettes et poli.
Mike DeSimone
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À mesure que la taille du processus diminue, la consommation d'énergie diminue.

Des processus de transistors plus petits permettent l'utilisation de tensions plus faibles combinées aux améliorations de la technique de construction, ce qui signifie qu'un processeur de ~ 45 nm peut utiliser moins de la moitié de la puissance qu'un processeur de 90 nm utilise avec un nombre de transistors similaire.

La raison en est que lorsque la grille du transistor devient plus petite, la tension de seuil et la capacité de la grille (courant de commande requis) diminuent.

Il convient de noter que, comme l'a souligné Olin, ce niveau d'amélioration ne se poursuit pas pour les tailles de processus plus petites, car le courant de fuite devient très important.

Un de vos autres points, la vitesse à laquelle les signaux peuvent se déplacer autour de la puce:

À 3 GHz, la longueur d'onde est de 10 cm, mais la longueur d'onde 1/10 est de 1 cm, c'est là que vous devez commencer à considérer les effets de ligne de transmission pour les signaux numériques. Rappelez-vous également que dans le cas des processeurs Intel, certaines parties de la puce fonctionnent à deux fois la vitesse d'horloge, donc 0,5 cm devient la distance importante pour les effets de ligne de transmission. REMARQUE: dans ce cas, ils peuvent fonctionner sur les deux fronts d'horloge, ce qui signifie que l'horloge ne fonctionne pas à 6 GHz, mais certains processus en cours déplacent les données aussi rapidement et doivent tenir compte des effets.

En dehors des effets de ligne de transmission, vous devez également considérer la synchronisation d'horloge. Je ne sais pas vraiment quelle est la vitesse de propagation à l'intérieur d'un microprocesseur, pour le fil de cuivre non blindé, c'est comme 95% de la vitesse de la lumière, mais pour le câble coaxial, c'est comme 60% la vitesse de la lumière.

À 6 GHz, la période d'horloge n'est que de 167 picosecondes, donc le temps haut / bas est d'environ 84 picosecondes. Dans le vide, la lumière peut parcourir 1 cm en 33,3 picosends. Si la vitesse de propagation était de 50% supérieure à la vitesse de la lumière, il s'agit plutôt de 66,6 picosecondes pour parcourir 1 cm. Ceci, combiné aux retards de propagation des transistors et éventuellement d'autres composants, signifie que le temps nécessaire au signal pour se déplacer même dans une petite puce à 3-6 GHz est important pour maintenir une synchronisation d'horloge correcte.

marque
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La puissance diminue avec la taille des fonctionnalités jusqu'à un certain point. Les tensions de commutation plus faibles réduisent le rapport des transistors FET. Cela signifie qu'il y a une fuite considérable hors état pour obtenir une impédance d'état suffisamment basse. Par conséquent, la puissance de fuite est une fraction importante de la puissance requise pour faire fonctionner certains processeurs modernes. La puissance augmente toujours avec la fréquence d'horloge, mais la fréquence d'horloge maximale est limitée par la puissance de fuite importante toujours présente. Il existe de nombreux compromis intéressants dans les processeurs modernes, et les équilibres entre eux changent rapidement.
Olin Lathrop
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Votre lumière est dix fois trop rapide: 3,33 × 10 ^ -12 s × 3 × 10 ^ 8 m / s = 10 ^ -3 m = 1 mm.
starblue
@Olin Lathrop D'accord, dans les générations les plus récentes, la fuite est le principal limiteur. Je faisais surtout référence à la transition de 90 nm à 45 nm, ce qui a une diminution presque linéaire de la puissance. Cette linéarité n'est pas là sous 45 nm comme vous l'avez dit.
Mark
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La raison principale est la première que vous avez mentionnée. Les wafers (ce que vous appelez des assiettes) sont très chers, vous devez donc en tirer le meilleur parti. Les plaquettes antérieures avaient un diamètre de 3 pouces, celles d'aujourd'hui sont de 12 pouces, ce qui vous donne non seulement 16 fois plus de biens immobiliers, bien sûr, mais vous en tirez encore plus de matrices que cela.
Il est donc clair qu'ils utiliseraient cette technologie également pour les processeurs utilisés dans les PC tour, même si cela ne semble pas nécessaire. Et n'oubliez pas que les ordinateurs portables ont également ce type de CPU, et qu'ils sont à petit budget en termes d'espace.
La vitesse est également une préoccupation, à 3 GHz, les signaux parcourent moins de 10 cm par cycle d'horloge. En règle générale, à partir du 1 / 10e, nous devons prendre soin des effets de la ligne de transmission. Et cela fait moins de 1 cm.

modifier Une
taille de fonctionnalité plus petite signifie également une capacité de grille moindre, ce qui permet une vitesse plus élevée. Une commutation plus rapide signifie une consommation d'énergie moindre, car les MOSFET traverseront plus rapidement leur région active. Dans la pratique, les fabricants en profitent pour cadencer plus rapidement, de sorte qu'au final, vous ne verrez pas beaucoup de cette réduction de puissance.

Stevenvh
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300 000 000 mètres / 3 000 000 000 Hz = 0,1 mètre, c'est 10 cm, non?
Kromster dit soutenir Monica le
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Les plaquettes sont bon marché, 100 $ par plaquette. Ce qui coûte cher, c'est l'explosion - les steppers peuvent traiter 120 wafers par heure maximum, et chaque wafer a besoin de jusqu'à 20 explosions.
BarsMonster
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@BarsMonster ne peut pas exploser ruiner une plaquette? Pardon! :)
kenny
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@kenny Les dommages physiques à la plaquette sont très improbables dans les usines modernes. Défauts microscopiques - ils sont toujours là.
BarsMonster
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@stevenvh: oui, ce que BarsMonster a dit. Lorsqu'on dispose d'une machine de pulvérisation d'un million de dollars et qu'elle traite cent mille (?) Wafers au cours de sa durée de vie, il est plus simple de penser à elle et aux autres machines de l'usine comme faisant partie du "coût total par wafer". La fraction du «coût total par tranche» qui provient de l'achat des disques de silicium pur non masqués est presque insignifiante.
davidcary
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La raison principale pour laquelle les processeurs continuent de devenir plus petits est simplement que, en informatique, plus petit est plus puissant :

Selon une première approximation, le calcul implique deux actions de base: transmettre des informations d'un endroit à un autre et combiner des brins d'informations pour produire de nouvelles informations. Puisque nous sommes habitués à utiliser l'électronique ici, appelons le matériel pour ces actions «fils» et «commutateurs». Pour les deux, plus petit est meilleur:

Fils: Étant donné que la vitesse de transmission sur un fil est essentiellement constante, si vous souhaitez obtenir des informations d'un endroit (par exemple, un interrupteur) à un autre, vous devez raccourcir le fil . (vous pourrez peut-être atteindre une vitesse plus rapide, mais vous atteindrez finalement la vitesse de la limite de lumière, moment auquel vous serez obligé de revenir au raccourcissement).

Commutateurs: un commutateur fonctionne à partir d'informations provenant d'un ou de plusieurs fils d'entrée qui pénètrent dans le corps du commutateur et le diffusent, provoquant une transformation de son état interne afin de moduler les informations sur un ou plusieurs fils de sortie. Il suffit simplement de moins de temps pour imprégner le corps d'un interrupteur plus petit.

PMar
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