CPU छोटे और छोटे क्यों होते जा रहे हैं?

Question

यह एक ज्ञात तथ्य है कि समय के साथ प्रोसेसर (या चिप्स) छोटे और छोटे होते जा रहे हैं। इंटेल और एएमडी सबसे छोटे मानकों (45nm, 32nm, 18nm, ..) की दौड़ में हैं। लेकिन सबसे छोटे चिप क्षेत्र पर सबसे छोटे तत्वों का होना इतना महत्वपूर्ण क्यों है?

एक 90nm 5x5cm सीपीयू क्यों नहीं बनाते हैं? 216 मिमी 2 क्षेत्र में 6 कोर क्यों निचोड़ें? बड़े क्षेत्र से गर्मी को फैलाना आसान होगा, विनिर्माण के लिए कम सटीक (और इस तरह सस्ती) तकनीक की आवश्यकता होगी।

मैं कुछ कारणों के बारे में सोच सकता हूं:

• कम आकार का मतलब है कि एकल वफ़र पर अधिक चिप्स बनाए जा सकते हैं (लेकिन वेफ़र्स बहुत महंगे नहीं हैं, सही?)
• मोबाइल गैजेट के लिए छोटे आकार महत्वपूर्ण हैं (लेकिन हर रोज़ पीसी अभी भी टॉवर बॉक्स का उपयोग करते हैं)
• छोटे आकार को प्रकाश-गति सीमा द्वारा तय किया जाता है, चिप उस दूरी से बड़ी नहीं हो सकती है जो EM फ़ील्ड 1 चक्र में यात्रा कर सकती है (लेकिन 3GHz पर लगभग कई सेमी है)

तो, चिप्स को छोटे और छोटे होने की आवश्यकता क्यों है?

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अधिक कानून है :)

— केनी

अंतिम पैकेज के आकार के अधिकांश मामलों में, सेल फोन में इसे फिट करने के लिए क्या मायने रखता है, यह पैकेजिंग और पिन गणना के प्रकार से निर्धारित होता है। दूसरे शब्दों में, वास्तविक मरने का आकार आम तौर पर पैकेज की तुलना में बहुत छोटा होता है, यहां तक ​​कि बड़ी प्रक्रियाओं के लिए भी। पैकेजिंग एक उच्च पिन गिनती आईसी के निर्माण की लागत का एक बड़ा हिस्सा है, जितना आप सोचते हैं और कभी-कभी वास्तविक मरने के निर्माण से कहीं अधिक होता है।

— मार्क

@ मर्क - सेल फोन निर्माता अधिक से अधिक सीएसपी (चिप स्केल पैकेज) चाहते हैं, जो लगभग मरने के समान आकार के होते हैं। आप शायद ही अब स्मार्टफोन्स में टीक्यूएफपी जैसे पैकेजों को सही ठहरा सकते हैं, वे बहुत अधिक स्थानहीन हैं।

— स्टीवनव

@stevenvh मुझे लगता है कि हमने एक ही बात, पैकेजिंग विकल्पों और कई चिप्स के एक पैकेज में पिन गणना को कम करने के लिए बाहरी घटकों की जरूरत को मुख्य रूप से सेल फोन के उपयोग के लिए आईसीएस के लघुकरण को चला रहे हैं। प्रक्रिया का आकार आम तौर पर सीमित कारक नहीं होता है, खासकर उच्च पिन गणना उपकरणों में।

— मार्क

स्पष्ट होने के लिए, सीपीयू वास्तव में छोटे नहीं हो रहे हैं। वे लगभग एक ही आकार के शेष हैं लेकिन अधिक से अधिक ट्रांजिस्टर युक्त हैं क्योंकि प्रत्येक ट्रांजिस्टर का आकार घट रहा है।

— डेविड श्वार्ट्ज

Answer 1

यह कैंडी बार की तरह है। वे लाभ बढ़ाने के लिए उन्हें उसी कीमत पर छोटा बनाते रहते हैं।

हालांकि, छोटे चिप्स के अच्छे कारण हैं। सबसे पहला और महत्वपूर्ण यह है कि अधिक चिप्स एक वेफर पर फिट किए जा सकते हैं। बड़े चिप्स के लिए, लागत सभी के बारे में है जो एक वेफर के किस अंश का उपयोग करता है। एक वेफर को संसाधित करने की लागत बहुत अधिक तय है, इसके बावजूद कि कितने चिप्स परिणाम हैं।

महंगे वेफर का कम उपयोग करना हालांकि केवल एक हिस्सा है। उपज दूसरी है। सभी वेफर्स में खामियां हैं। उनके बारे में सोचें कि वेफर के बारे में छोटे लेकिन बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए हैं, और इनमें से किसी भी खामी को हिट करने वाला कोई भी आईसी कचरा है। जब वेफर को बहुत से छोटे IC द्वारा कवर किया जाता है, तो कुल का एक छोटा सा अंश कचरा होता है। जैसा कि आईसी आकार उनमें से अंश को ऊपर जाता है जो एक अपूर्णता को मारता है, ऊपर जाता है। एक अवास्तविक उदाहरण के रूप में, जो फिर भी मुद्दे को इंगित करता है, उस मामले पर विचार करें जहां हर वेफर में एक अपूर्णता है और एक आईसी द्वारा कवर किया गया है। उपज 0. होगी। यदि इसे 100 आईसी द्वारा कवर किया गया था, तो उपज 99% होगी।

इससे अधिक उपज के लिए बहुत कुछ है, और यह इस मुद्दे की बहुत अधिक निगरानी करता है, लेकिन ये दो प्रभाव छोटे चिप्स को अधिक किफायती बनाने की ओर धकेलते हैं।

वास्तव में सरल आईसी के लिए, पैकेजिंग और परीक्षण लागत हावी है। उन मामलों में, सुविधाओं का आकार इतना ड्राइविंग मुद्दा नहीं है। यह भी एक कारण है कि हमने हाल ही में छोटे और सस्ते पैकेजों का विस्फोट देखा है। ध्यान दें कि चरम छोटे फीचर आकार को मुख्य प्रोसेसर और GPU की तरह बहुत बड़े IC द्वारा धकेला जा रहा है।

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इसके अलावा सिलिकॉन इनगट गोल है, इसलिए आप प्रति वेफर अधिक चिप्स खो देते हैं क्योंकि चिप्स बड़े होते हैं, अर्थात। आप एक सर्कल में अधिक छोटे वर्ग चिप्स फिट कर सकते हैं।

— मार्टिन

+1 @Martin, वेफर के किनारों पर इसका उल्लेख नहीं करने के लिए हम कई डिवाइस विफलताओं पाए जाते हैं।

— केनी

@endolith: सोचें कि ज़ोन शोधन कैसे काम करता है। एक गोलाकार चौराहा उसके लिए इष्टतम आकार है।

— ओलिन लेट्रोप

अगर और केवल संरचना (सब्सट्रेट डोपिंग, ट्रांजिस्टर प्रौद्योगिकियों, धातुकरण परत की गिनती, आदि) बड़े और छोटे दोनों पासा के लिए किनारे के चारों ओर छेद भरा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, दो उपकरणों के लिए उत्पादन दर जुड़े हुए हैं और दो अलग-अलग हिस्सों के लिए मांग दर के समान नहीं हो सकते हैं। इसलिए, यह दुर्लभ है जब आप उस चाल से दूर हो सकते हैं।

— माइक डेसिओन

विनिर्माण प्रक्रिया के कारण वेफर को गोल करना पड़ता है। सिलिकॉन के एकल क्रिस्टल बनाने के लिए, एक स्टार्टर क्रिस्टल को पिघला हुआ, डॉप्ड सिलिकॉन के स्नान में डुबोया जाता है, और क्रिस्टल को घुमाते समय धीरे-धीरे वापस ले लिया जाता है। रोटेशन और निष्कर्षण गति का सटीक नियंत्रण क्रिस्टल के व्यास को निर्धारित करता है और पॉलीक्रिस्टलाइन दोष के गठन को रोकता है। व्यास और लंबाई भी यांत्रिक विचारों द्वारा सीमित होती है, यानी आप कितना टूटने से पहले खींच सकते हैं और वापस अंदर गिर जाते हैं। इसके बाद, इसे वेफर्स और पॉलिश में काट दिया जाता है।

— माइक डेसिमोन

Answer 2

जैसे-जैसे प्रक्रिया का आकार छोटा होता जाता है, बिजली का उपयोग कम होता जाता है।

छोटी ट्रांजिस्टर प्रक्रियाएं निर्माण तकनीक में सुधार के साथ संयुक्त कम वोल्टेज के उपयोग की अनुमति देती हैं इसका मतलब है कि एक ~ 45nm प्रोसेसर आधे से कम बिजली का उपयोग कर सकता है जो कि 90nm प्रोसेसर समान ट्रांजिस्टर की गिनती के साथ उपयोग करता है।

इसका कारण यह है कि चूंकि ट्रांजिस्टर गेट छोटा होता है, थ्रेसहोल्ड वोल्टेज और गेट कैपेसिटेंस (आवश्यक ड्राइव करंट) कम होता है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ओलिन ने कहा कि सुधार का यह स्तर छोटी प्रक्रिया के आकार के लिए जारी नहीं है क्योंकि रिसाव चालू बहुत महत्वपूर्ण हो जाता है।

आपके अन्य बिंदुओं में से एक, जिस गति से सिग्नल चिप के चारों ओर यात्रा कर सकते हैं:

3ghz पर तरंग दैर्ध्य 10cm है, हालांकि 1 / 10th तरंग दैर्ध्य 1cm है, जहां आपको डिजिटल संकेतों के लिए ट्रांसमिशन लाइन प्रभाव पर विचार करना शुरू करना होगा। इसके अतिरिक्त याद रखें कि इंटेल प्रोसेसर के मामले में चिप के कुछ हिस्से घड़ी की गति से दुगुनी गति से चलते हैं इसलिए 0.5 सेमी ट्रांसमिशन लाइन प्रभाव के लिए महत्वपूर्ण दूरी बन जाती है। नोट: वे इस मामले में दोनों घड़ी के किनारों पर काम कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि घड़ी 6Ghz पर नहीं चलती है, लेकिन कुछ प्रक्रियाएं चल रही हैं जो डेटा को तेजी से आगे बढ़ा रही हैं और प्रभावों पर विचार करना होगा।

ट्रांसमिशन लाइन प्रभाव के बाहर, आपको घड़ी तुल्यकालन पर भी विचार करना होगा। मुझे वास्तव में पता नहीं है कि एक माइक्रोप्रोसेसर के अंदर प्रसार का वेग क्या है, बिना तार वाले तांबे के तार के लिए यह प्रकाश की गति के 95% की तरह है, लेकिन मनाना के लिए प्रकाश की गति 60% की तरह है।

6GHz पर घड़ी अवधि केवल 167 है picoseconds इतनी अधिक / कम समय है ~ 84 picoseconds। वैक्यूम में, प्रकाश 33.3 पिकोसेंड में 1cm यात्रा कर सकता है। अगर प्रसार वेग 50% प्रकाश की गति थी तो इसकी अधिक 66.6 picoseconds की तरह 1 सेमी यात्रा करने के लिए। यह ट्रांजिस्टर के प्रसार में देरी के साथ संयुक्त है और संभवतः अन्य घटकों का मतलब है कि समय 3-6Ghz पर एक छोटी सी मौत के आसपास ले जाने के लिए संकेत लेता है उचित घड़ी तुल्यकालन बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है।

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पावर एक बिंदु पर सुविधा आकार के साथ नीचे जाती है। निम्न स्विचिंग वोल्टेज छोटे और बंद राज्य के अनुपात को छोटा बनाते हैं। इसका मतलब यह है कि राज्य के प्रतिबाधा पर काफी कम पाने के लिए काफी हद तक राज्य रिसाव है। नतीजतन, रिसाव शक्ति कुछ आधुनिक प्रोसेसर को चलाने के लिए आवश्यक शक्ति का एक महत्वपूर्ण अंश है। पावर अभी भी घड़ी की दर के साथ ऊपर जाता है, लेकिन अधिकतम घड़ी दर हमेशा मौजूद उप-प्रकार रिसाव शक्ति द्वारा सीमित होती है। आधुनिक प्रोसेसर में बहुत सारे दिलचस्प ट्रेडऑफ़ हैं, और उनके बीच के बैलेन्स तेजी से बदलते हैं।

— ओलिन लेट्रोप

आपका प्रकाश दस गुना तेज है: 3.33 × 10 ^ -12 s × 3 × 10 ^ 8 m / s = 10 ^ -3 m = मिमी।

— स्टारबेल

@ ओलिन लेट्रोप सहमत, सबसे हाल की पीढ़ियों में रिसाव प्रमुख सीमक है। मैं ज्यादातर 90nm से 45nm के संक्रमण को संदर्भित कर रहा था, जिसमें बिजली की लगभग रैखिक कमी है। जैसा कि आपने कहा है कि रैखिकता 45nm के अंतर्गत नहीं है।

— मार्क

Answer 3

मुख्य कारण पहले एक है जिसका आपने उल्लेख किया है। वफ़र (जिसे आप प्लेट कहते हैं) बहुत महंगे हैं, इसलिए आप उनसे सबसे अधिक प्राप्त करना चाहते हैं। पहले वेफर्स 3 इंच व्यास के थे, आज 12 इंच हैं, जो न केवल आपको 16 गुना अधिक अचल संपत्ति देता है, जाहिर है, लेकिन आप इससे भी अधिक मर जाते हैं।
तो यह स्पष्ट है कि वे इस तकनीक का उपयोग टॉवर पीसी में उपयोग किए जाने वाले सीपीयू के लिए भी करेंगे, भले ही ऐसा न लगे कि यह वहां आवश्यक है। और यह मत भूलो कि लैपटॉप पीसी में भी इस तरह के सीपीयू होते हैं, और वे एक बजट पर होते हैं जहां तक ​​अंतरिक्ष का संबंध है।
गति भी एक चिंता का विषय है, 3 गीगाहर्ट्ज सिग्नल प्रति घड़ी चक्र में 10 सेमी से कम की यात्रा करता है। 1/10 वें से अंगूठे के एक नियम के रूप में हमें ट्रांसमिशन लाइन प्रभावों का ध्यान रखना होगा। और वह 1 सेमी से कम है।

छोटे सुविधा आकार को संपादित करने का अर्थ कम गेट कैपेसिटेंस भी है, और यह उच्च गति के लिए अनुमति देता है। तेज़ स्विचिंग का मतलब कम बिजली की खपत है, क्योंकि MOSFETs अपने सक्रिय क्षेत्र के माध्यम से तेजी से जाएंगे। व्यवहार में निर्माता तेजी से घड़ी बनाने के लिए इसका लाभ उठाते हैं, ताकि अंत में आपको इस बिजली कटौती में ज्यादा न दिखे।

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300 000 000 मीटर / 3 000 000 000 हर्ट्ज = 0.1 मीटर, 10 सेमी, सही है?

— क्रॉम्स्टर का कहना है कि

वफ़र सस्ते हैं, प्रति वेफर 100 डॉलर। क्या महंगा है एक्सप्लोसिव - स्टेपर्स 120 वेफर प्रति घंटे अधिकतम की प्रक्रिया कर सकते हैं, और प्रत्येक वेफर को 20 विस्फोटों तक की आवश्यकता होती है।

— बार्समोनस्टर

@BarsMonster एक वेफर को बर्बाद नहीं कर सकता है? माफ़ करना! :)

— केनी

@ फेनी वफ़र को शारीरिक क्षति आधुनिक फैब पर अत्यधिक संभावना नहीं है। सूक्ष्म दोष - वे हमेशा यहाँ हैं।

— BarsMonster

@stevenvh: हाँ, BarsMonster ने क्या कहा। जब एक मिलियन-डॉलर स्पैटरिंग मशीन होती है, और यह अपने जीवनकाल में सौ हज़ार (?) प्रक्रिया करता है, तो यह सोचना सबसे सरल है और फैब पर अन्य मशीनें "कुल लागत प्रति वेफर" के हिस्से के रूप में। "कुल लागत प्रति वेफर" का अंश जो अनमास्क शुद्ध सिलिकॉन डिस्क खरीदने से आता है, लगभग महत्वहीन है।

— दाविदकरी

Answer 4

सीपीयू के छोटे होने का मुख्य कारण यह है कि कंप्यूटिंग में, छोटा अधिक शक्तिशाली है :

पहले सन्निकटन के लिए, संगणना में दो बुनियादी क्रियाएं शामिल होती हैं: किसी जानकारी को एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुँचाना और किसी भी जानकारी का उत्पादन करने के लिए सूचनाओं का संयोजन करना। चूंकि हम यहां इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करने के लिए उपयोग किए जाते हैं, तो आइए इन क्रियाओं 'तारों' और 'स्विच' के लिए हार्डवेयर को कॉल करें। इन दोनों के लिए, छोटा बेहतर है:

तार: चूंकि किसी तार पर संचरण की गति अनिवार्य रूप से स्थिर होती है, तो यदि आप एक स्थान से दूसरी जगह (जैसे स्विच) की जानकारी प्राप्त करना चाहते हैं, तो आपको तार को छोटा करना होगा । (आप एक तेज गति प्राप्त करने में सक्षम हो सकते हैं, लेकिन अंततः आप प्रकाश की गति की गति से टकराते हैं, जिस बिंदु पर आपको वापस छोटा करने के लिए मजबूर किया जाता है)।

स्विचेस: एक स्विच एक या एक से अधिक इनपुट तारों की जानकारी से काम करता है जो स्विच के शरीर में प्रवेश करता है और उसे नुकसान पहुँचाता है, जिससे इसकी आंतरिक स्थिति बदल जाती है ताकि सूचना को एक या अधिक आउटपुट तारों पर संशोधित किया जा सके। बस एक छोटे से स्विच के शरीर को दबाने में कम समय लगता है।