CPUがどんどん小さくなっているのはなぜですか？

時間の経過とともにプロセッサー（またはチップ）がますます小さくなっていることは知られています。IntelとAMDは、最小の標準（45nm、32nm、18nm、..）をめぐって競争しています。しかし、最小のチップ領域に最小の要素を配置することがなぜそれほど重要なのでしょうか？

90nm 5x5cm CPUを作ってみませんか？なぜ6つのコアを216mm2の面積に詰め込むのですか？より広い面積から熱を放散することはより容易であり、製造はそれほど正確ではない（したがってより安価な）技術を必要とします。

いくつかの理由が考えられます。

• サイズが小さいということは、単一のウェーハでより多くのチップを作成できることを意味します（しかし、ウェーハはそれほど高価ではありませんよね？）
• モバイルガジェットでは小さいサイズが重要です（ただし、通常のPCではタワーボックスが使用されます）
• 小さいサイズは光速度の制限によって決定され、チップはEMフィールドが1サイクルで移動できる距離より大きくすることはできません（ただし、3GHzで約数cmです）

それでは、なぜチップはますます小さくなる必要があるのでしょうか？

それはキャンディーバーのようなものです。彼らは利益を増やすために同じ価格で小さくし続けます。

深刻なことに、小さなチップには十分な理由があります。何よりもまず、より多くのチップをウエハーに収めることができます。大型チップの場合、コストは使用するウェーハの割合です。ウェーハの処理コストは、チップの数に関係なく、ほぼ固定されています。

ただし、高価なウェーハの使用量を減らすことは、一部にすぎません。利回りはもう1つです。すべてのウェーハには欠陥があります。それらは小さいが、ウェーハの周りにランダムに散らばっていると考えてください。これらの欠陥の1つにぶつかるICはゴミです。ウェーハが多数の小さなICで覆われている場合、全体のごく一部のみがゴミです。ICのサイズが大きくなると、欠陥にぶつかる部分が増えます。それでも問題を指摘する非現実的な例として、すべてのウェーハに1つの欠陥があり、1つのICで覆われている場合を考えてください。歩留まりは0になります。100個のICでカバーされる場合、歩留まりは99％になります。

これよりもはるかに多くの利益が得られ、これは問題を大幅に単純化しすぎていますが、これらの2つの効果は、より小さなチップがより経済的になることを後押しします。

本当にシンプルなICの場合、パッケージングとテストのコストが支配的です。これらの場合、機能のサイズはそれほど大きな問題ではありません。これは、最近小さくて安価なパッケージが爆発的に増えている理由の1つでもあります。メインプロセッサやGPUなどの非常に大きなICによって、非常に小さなフィーチャサイズがプッシュされていることに注意してください。

プロセスサイズが小さくなると、電力使用量は減少します。

トランジスタプロセスを小さくすることで、低電圧の使用と構築技術の改善が可能になり、約45nmプロセッサで使用できる電力は、90nmプロセッサで使用するトランジスタ数の半分以下になります。

これは、トランジスタのゲートが小さくなると、しきい値電圧とゲート容量（必要な駆動電流）が小さくなるためです。

Olinが指摘したように、漏れ電流が非常に重要になるため、このレベルの改善はプロセスサイズの縮小を続けません。

他のポイントの1つ、信号がチップ内を移動できる速度：

3GHzでは波長は10cmですが、1/10の波長は1cmであり、デジタル信号の伝送ライン効果を考慮する必要がある場所です。さらに、Intelプロセッサの場合、チップの一部がクロック速度の2倍で動作するため、0.5cmが伝送ライン効果の重要な距離になることに注意してください。注：この場合、両方のクロックエッジで動作している可能性があります。つまり、クロックは6Ghzで動作しませんが、進行中の一部のプロセスはデータを高速で移動し、影響を考慮する必要があります。

伝送線の影響の外側では、クロックの同期も考慮する必要があります。マイクロプロセッサ内の伝搬速度は実際にはわかりません。シールドされていない銅線の場合は光の速度の95％ですが、同軸の場合は光の速度の60％のようなものです。

6Ghzでは、クロック周期はわずか167 ピコ秒であるため、高/低時間は〜84 ピコ秒です。真空では、光は33.3ピコセンドで1cm移動できます。伝播速度が光の速度の50％だった場合、1 cmを移動するのに66.6ピコ秒のようになります。これは、トランジスタおよびおそらく他のコンポーネントの伝播遅延と組み合わされ、3-6Ghzの小さなダイでも信号が移動するのにかかる時間が、適切なクロック同期を維持するために重要であることを意味します。

主な理由は、最初に述べたものです。ウェーハ（プレートと呼ばれるもの）は非常に高価なので、それらを最大限に活用したいと考えています。初期のウェーハは直径3インチでしたが、現在は12インチであり、明らかに16倍の不動産を提供するだけでなく、それよりも多くのダイを得ることができます。
そのため、タワーPCで使用されているCPUにもこのテクノロジーが使用されていることは明らかです。また、ラップトップPCにもこの種のCPUが搭載されていることを忘れないでください。スペースに関する限り、予算内に収まっています。
速度も懸念事項です。3GHzの信号は、クロックサイクルあたり10 cm未満で移動します。原則として、その1/10から伝送線の影響に注意する必要があります。そして、それは1 cm未満です。

編集
フィーチャサイズを小さくすると、ゲート容量が小さくなるため、高速化が可能になります。高速スイッチングは、MOSFETがアクティブ領域を高速で通過するため、消費電力が少ないことを意味します。実際には、メーカーはこれを利用してクロックを高速化しているため、最終的にはこの消費電力の削減はほとんど見られません。

CPUが小さくなり続ける主な理由は、コンピューティングでは、小さいほど強力であるということです。

最初の近似では、計算には2つの基本的なアクションが含まれます。1つの場所から別の場所に情報を送信することと、情報のストランドを組み合わせて新しい情報を生成することです。ここでは電子機器の使用に慣れているので、これらのアクションのハードウェアを「ワイヤー」および「スイッチ」と呼びましょう。これらの両方について、小さい方が優れています。

ワイヤ：ワイヤの伝送速度は本質的に一定であるため、ある場所（スイッチなど）から別の場所に情報を取得する場合は、ワイヤを短くする必要があります。（あなたはより速い速度を達成することができるかもしれませんが、最終的に光制限の速度に達し、その時点で短縮することを強制されます）。

スイッチ：スイッチは、1つまたは複数の入力ワイヤからの情報がスイッチの本体に入ってそれを満たし、内部状態を変換して1つまたは複数の出力ワイヤの情報を変調することによって機能します。小さいスイッチの本体を充足するのに要する時間が短くなります。