Warum erhöhen kleinere Transistoren die Energieeffizienz?

Transistoren, bjt, MOSFETs OK, verstanden. Mehr Transistoren = besseres Rechnen.

Das Komprimieren der Transistoren in meinem Kopf hilft jedoch nur dabei, die physikalischen Abmessungen zu verringern.

Wird eine CPU oder eine Elektronik effizienter, weil die Transistoren weniger Spannung verbrauchen? Reduziert mehr Computer den Stromverbrauch und hat einfach mehr Transistoren als Grund?

Ich frage, weil ich als Neuling und bald als Diplomingenieur denke, dass grundlegende Dinge wie diese wichtig sind, um sie zu verstehen. Aber ich habe dieses Konzept immer als Faustregel gelernt und nicht durch das "erste Prinzip" oder die tatsächliche Theorie der Transistoreffizienz.

PS Ich habe eine Klasse besucht, in der die Mathematik von L und W berechnet und mit neuem L 'und W' verglichen wurde, reduziert auf einen npn. Die theoretische Frequenz hat zugenommen, aber ich denke nicht, dass die mathematische Übersetzung in meinem Kopf gut ist, weil ich nicht sehe, wie dies zur Energieeffizienz beiträgt, nur zur Leistung und / oder zum Bereich.

Der größte Teil des Stromverbrauchs in CMOS-Schaltungen ist "dynamische Leistung" - Leistung aus dem Schaltzustand der Geräte. Diese Leistung ist im Wesentlichen die Leistung, die erforderlich ist, um die Kapazität der anderen Gates sowie die Kapazität der Verkabelung anzusteuern.

In modernen CMOS gibt es zusätzliche statische Leckleistung, da bei ausgeschaltetem MOS-Transistor immer noch ein kleiner Leckstrom fließen kann und angesichts der Anzahl der Geräte in einer modernen CPU der Gesamtstrom erheblich wird. Es gibt jedoch Techniken, um dies zu minimieren.

Wenn Geräte kleiner werden, erhalten Sie eine Reihe von Vorteilen:

1. Die Gerätekapazitäten nehmen ab, sodass weniger Strom benötigt wird, um diese Kapazität anzutreiben.
2. Die Geräte sind kleiner und näher beieinander, sodass auch die parasitäre Kapazität der Verkabelung abnimmt.
3. Geräte können bei niedrigeren Versorgungsspannungen betrieben werden, so dass sowohl der Leckstrom als auch die zum Antreiben parasitärer Kapazitäten erforderliche Leistung abnehmen.

Im Allgemeinen nehmen die Leckströme zu, wenn Geräte kleiner werden (nicht wirklich, weil sie kleiner sind, sondern weil die niedrigeren Schwellenspannungen höhere Leckagen ermöglichen). Um dies in Schach zu halten, werden komplexere Leistungsschalttechniken verwendet.

Der dynamische Stromverbrauch wird durch das Laden und Entladen der Gatekapazitäten verursacht. Die Leistung ist proportional zu C * F * V ^ 2. C ist die Gate- (oder Prozess-) Kapazität, F ist die Frequenz und V ist die Spannung. Da der V-Term quadratisch ist, reduziert die Reduzierung der Spannung den Stromverbrauch erheblich.

Kleinere Niederspannungstransistoren haben dünnere Isolationsschichten am Gate, so dass sie mehr statischen Stromverlust aufweisen (obwohl das Material ein guter Isolator ist, ist der Pfad sehr kurz, sodass ein gewisser Verlust auftritt). Ich erinnere mich, dass zu einer Zeit, vielleicht um das Jahr 2000, die Rede davon war, dass sich statische und dynamische Leistung überschneiden und die statische Leistung für High-End-Prozessoren (Intel-PCs und dergleichen) wichtiger als dynamisch werden würde. Ich denke, sie haben Tricks gefunden, um die statische Leistung zu reduzieren. Und ich habe irgendwie aufgehört, diesem Bereich der Industrie Aufmerksamkeit zu schenken.

Bis zu einem gewissen Grad tragen kleinere Transistoren dazu bei, die Anforderungen an die Spannungsansteuerung zu reduzieren, da Ihr Gateoxid dünner ist und daher die Gate-Steuerung stärker ist, da das Gate näher am Kanal liegt.

Kleinere Transistoren tragen auch zur Reduzierung der Kapazität bei, was zu einem geringeren dynamischen Ansteuerstrom führt.

Sowohl Spannung als auch Strom führen zu einem geringeren Strombedarf.

Die Einschränkung dieser Skalierung besteht darin, dass Ihre Gateoxiddicke so dünn ist, dass Quantentunneln auftritt und die Kanallänge so kurz ist, dass Sie gegen kurze Kanaleffekte kämpfen müssen.

kleinere Transistoren erhöhen die Energieeffizienz nicht wesentlich. Wenn Sie jedoch viel mehr Transistoren in eine CPU einbauen können, wird diese CPU viel schneller rechnen, wodurch weniger Energie verbraucht und somit energieeffizienter wird.