Почему процессоры становятся все меньше и меньше?

Это как конфеты. Они продолжают делать их меньше по той же цене, чтобы увеличить прибыль.

А если серьезно, то есть веские причины для чипов меньшего размера. Прежде всего, это то, что на пластину можно поместить больше чипов. Для больших чипов стоимость зависит от того, какую часть пластины они используют. Стоимость обработки пластины в значительной степени фиксирована, независимо от того, сколько микросхем получается из нее.

Однако использование менее дорогой пластины — это только одна часть. Урожайность другая. Все вафли имеют дефекты. Думайте о них как о маленьких, но беспорядочно разбросанных по пластине, и любая ИС, которая сталкивается с одним из этих недостатков, является мусором. Когда пластина покрыта множеством мелких ИС, лишь небольшая часть от общего числа является мусором. По мере того, как размер ИС увеличивается, доля тех, которые столкнулись с несовершенством, увеличивается. В качестве нереального примера, который, тем не менее, указывает на проблему, рассмотрим случай, когда каждая пластина имеет одно несовершенство и покрывается одной ИС. Выход был бы равен 0. Если бы он был покрыт 100 ИС, выход был бы 99%.

Помимо этого, можно получить гораздо больше, и это сильно упрощает проблему, но эти два эффекта действительно подталкивают к тому, чтобы меньшие чипы были более экономичными.

Для действительно простых ИС преобладает стоимость упаковки и тестирования. В этих случаях размер функций не так важен. Это также одна из причин, по которой в последнее время мы наблюдаем взрывной рост более мелких и дешевых пакетов. Обратите внимание, что чрезвычайно малый размер функций зависит от очень больших ИС, таких как основные процессоры и графические процессоры.

По мере уменьшения размера процесса энергопотребление снижается.

Меньшие транзисторные процессы позволяют использовать более низкие напряжения в сочетании с улучшениями в технологии изготовления, что означает, что ~45-нм процессор может потреблять менее половины мощности, которую потребляет 90-нм процессор с аналогичным количеством транзисторов.

Причина этого в том, что по мере того, как затвор транзистора становится меньше, пороговое напряжение и емкость затвора (требуемый управляющий ток) уменьшаются.

Следует отметить, что, как указал Олин, этот уровень улучшения не сохраняется для меньших размеров процессов, поскольку ток утечки становится очень важным.

Один из других ваших пунктов, скорость, с которой сигналы могут перемещаться по чипу:

На частоте 3 ГГц длина волны составляет 10 см, однако 1/10 длины волны составляет 1 см, и именно здесь вам нужно начать учитывать эффекты линии передачи для цифровых сигналов. Кроме того, помните, что в случае процессоров Intel некоторые части чипа работают с удвоенной тактовой частотой, поэтому 0,5 см становится важным расстоянием для эффектов линии передачи. ПРИМЕЧАНИЕ. В этом случае они могут работать на обоих фронтах тактовых импульсов, что означает, что часы не работают на частоте 6 ГГц, но некоторые происходящие процессы перемещают данные с такой скоростью и должны учитывать последствия.

Помимо эффектов линии передачи, вы также должны учитывать синхронизацию часов. На самом деле я не знаю, какова скорость распространения внутри микропроцессора, для неэкранированного медного провода это около 95% скорости света, а для коаксиального кабеля около 60% скорости света.

На частоте 6 ГГц период синхронизации составляет всего 167 пикосекунд , поэтому время высокого/низкого уровня составляет ~ 84 пикосекунды. В вакууме свет может пройти 1 см за 33,3 пикосенда. Если бы скорость распространения составляла 50% скорости света, то для прохождения 1 см потребовалось бы 66,6 пикосекунд. Это в сочетании с задержками распространения транзисторов и, возможно, других компонентов означает, что время, необходимое сигналу для прохождения даже небольшого кристалла на частоте 3-6 ГГц, важно для поддержания надлежащей тактовой синхронизации.

Основная причина - первая, о которой вы упомянули. Вафли (то, что вы называете тарелками) стоят очень дорого, поэтому вы хотите получить от них максимум удовольствия. Ранее пластины имели диаметр 3 дюйма, сегодняшние — 12 дюймов, что, очевидно, не только дает вам в 16 раз больше полезной площади, но и дает вам еще больше штампов.
Так что ясно, что они будут использовать эту технологию и для процессоров, используемых в башенных ПК, даже если это не выглядит там необходимым. И не забывайте, что такие процессоры есть и в ноутбуках, и они ограничены в плане места.
Скорость также вызывает беспокойство: на частоте 3 ГГц сигналы проходят менее 10 см за такт. Как правило, начиная с 1/10, мы должны заботиться об эффектах линии передачи. И это меньше 1 см.

редактировать
Меньший размер элемента также означает меньшую емкость затвора, и это обеспечивает более высокую скорость. Более быстрое переключение означает меньшее энергопотребление, поскольку полевые МОП-транзисторы быстрее проходят через свою активную область. На практике производители пользуются этим, чтобы ускорить тактовую частоту, так что, в конце концов, вы не увидите значительного снижения мощности.

ОСНОВНАЯ причина, по которой процессоры продолжают становиться меньше, заключается просто в том, что в вычислениях чем меньше, тем мощнее :

В первом приближении вычисление включает в себя два основных действия: передачу информации из одного места в другое и объединение потоков информации для получения новой информации. Поскольку мы привыкли использовать здесь электронику, назовем оборудование для этих действий «проводами» и «переключателями». Для обоих из них чем меньше, тем лучше:

Провода: Поскольку скорость передачи по проводу практически постоянна, то, если вы хотите получить информацию из одного места (например, коммутатора) в другое, вам придется укоротить провод . (возможно, вы сможете достичь более высокой скорости, но в конечном итоге вы достигнете предела скорости света, и в этот момент вы будете вынуждены вернуться к укорочению).

Переключатели: Переключатель работает на основе информации от одного или нескольких входных проводов, входящей и заполняющей корпус переключателя, вызывая преобразование его внутреннего состояния для модуляции информации на одном или нескольких выходных проводах. Просто требуется меньше времени, чтобы заполнить корпус меньшего переключателя.