Co omezuje rychlost procesoru?

Prakticky to, co omezuje rychlost CPU, je jak generované teplo, tak i zpoždění brány, ale obvykle se teplo stane mnohem větším problémem, než se druhý spustí .

Nedávné procesory se vyrábějí pomocí technologie CMOS. Pokaždé, když dojde k hodinovému cyklu, energie se rozptýlí. Vyšší rychlost procesoru proto znamená větší odvod tepla.

http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

Zde je několik čísel:

Core i7-860 (45 nm) 2.8 GHz 95 W Core i7-965 (45 nm) 3.2 GHz 130 W Core i7-3970X (32 nm) 3.5 GHz 150 W 

Vy opravdu vidí, jak se zvyšuje výkon přechodu procesoru (exponenciálně!).

Existují také některé kvantové efekty, které se projevují zmenšováním velikosti tranzistorů. Na úrovních nanometrů se tranzistorová hradla skutečně stanou “ netěsnými „.

http://computer.howstuffworks.com/small-cpu2.htm

Nebudu se zabývat tím, jak tato technologie funguje, ale jsem si jist, že k vyhledání můžete použít Google tato témata.

Dobře, nyní, kvůli zpožděním přenosu.

Každý “ vodič “ uvnitř CPU funguje jako malý kondenzátor. Také základna tranzistoru nebo brána MOSFET fungují jako malé kondenzátory. Chcete-li změnit napětí na připojení, musíte buď nabít vodič nebo odstranit náboj. Jak se tranzistory zmenšují, je obtížnější to udělat. To je důvod, proč SRAM potřebuje zesilovací tranzistory, protože ve skutečnosti jsou tranzistory paměťového pole tak malé a slabé.

V typických IC designech, kde je hustota velmi důležitá, bitové buňky mají velmi malé tranzistory. Navíc jsou obvykle zabudovány do velkých polí, která mají velmi velké kapacity bitové linky. Výsledkem je velmi pomalé (relativně) vybití bitové linky bitovou buňkou.

Od: Jak implementovat zesilovač SRAM?

V zásadě jde o to, že pro malé tranzistory je těžší řídit propojení.

Také existují zpoždění brány. Moderní CPU mají více než deset fází pipeline, možná až dvacet.

Problémy s výkonem v pipeliningu

Existují také indukční účinky. Na mikrovlnných frekvencích se stávají docela významnými. Můžete vyhledat přeslechy a podobné věci.

Nyní, i když se vám podaří zprovoznit procesor 3265810 THz, dalším praktickým omezením je to, jak rychle to zbytek systému dokáže podporovat. Buď musíte mít RAM, úložiště, logiku lepidla a další propojení, která fungují stejně rychle, nebo potřebujete obrovskou mezipaměť.

Komentáře

• Možná budete chtít zahrnout odkaz na tuto diskusi, kde najdete pěkné odkazy o tom, jak rychlost hodin a spotřeba energie souvisí: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Existuje ‚ rychlost elektřiny, kterou je třeba vzít v úvahu, když hovoříme o zpožděních přenosu en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Zvyšuje se to skutečně exponenciálně, nebo jen kvadraticky? Toto video ve skutečnosti říká, že Power = Frequency ^ 1.74.
• Dobrá věc, ale jeden z hlavní obtíže při návrhu CPU jsou vzájemná propojení. Fyzicky velký čip může být možný, ale pamatujte, že fungují v rozsahu gigahertzů. Chcete zachovat krátké dráty.
• Jelikož je otázka teoretická, lze dodat, že jiné polovodiče, jako je arsenid gallium, umožňují vyšší frekvence.

Na problém s teplem se dobře vztahuje fuzzyhair . Abychom shrnuli zpoždění přenosu, zvažte toto: Čas potřebný k přenosu elektrického signálu přes základní desku je nyní více než jeden hodinový cyklus moderního CPU. Takže výroba rychlejších procesorů toho moc nedosáhne.

Mimořádně rychlý procesor je skutečně přínosný pouze v masivních procesech, které způsobují velké množství čísel, a to pouze v případě, že je váš kód pečlivě optimalizován, čip. Pokud často musí jít jinam kvůli datům, zbytečná rychlost je zbytečná. V dnešních systémech lze většinu úkolů spustit paralelně a velké problémy jsou rozděleny do více jader.

Zní to jako by váš proces kompilace latexu byl vylepšen:

• Rychlejší IO. Vyzkoušejte RAMdisk.
• Spouštění různých dokumentů na různých jádrech
• Neočekávejte, že v 2 sekundy

Komentáře

• Škoda, mám povolen pouze jeden souhlas. Vaše odpověď si zaslouží více, protože jste poukázali na to, že taktovací frekvence nemusí být překážkou v OP ‚ s problému.

Existují tři fyzické limity: teplo, zpoždění brány a rychlost elektrického přenosu.

Světový rekord v dosud nejvyšší rychlosti hodin je (podle tohoto odkazu) 8722,78 MHz

Rychlost elektrického přenosu (přibližně stejná jako rychlost světla) je absolutní fyzikální limit, protože žádná data nelze přenášet rychleji než jeho médium. Zároveň je tento limit velmi vysoký, takže to obvykle není omezující faktor.

CPU se skládají z obrovského množství bran, z nichž je několik spojeno sériově (jeden po druhém). Přepnutí z vysokého stavu (např.1) do nízkého stavu (např.0) nebo naopak chvíli trvá. Toto je zpoždění brány. Pokud tedy máte sériově připojeno 100 bran a přepnutí trvá 1 ns, budete muset počkat alespoň 100 ns, než vám celá věc poskytne platný výstup.

Tyto přepínače jsou tím, co bere nejvíce energie na CPU. To znamená, že pokud zvýšíte rychlost hodin, získáte více přepínačů, a tím použijete více energie, čímž zvýšíte tepelný výkon.

Přepětí (= > poskytující více energie) trochu snižuje zpoždění brány, ale opět zvyšuje tepelný výkon.

Někde kolem 3 GHz spotřeba energie na rychlost hodin se extrémně zvyšuje. To je důvod, proč procesory 1,5 GHz mohou běžet na chytrém telefonu, zatímco většina procesorů 3–4 GHz nemůže běžet ani na notebooku.

Ale rychlost hodin není jediná věc, která může zrychlit CPU, také optimalizace na potrubí nebo architektura mikrokódu mohou způsobit výrazné zrychlení. Proto je 3 GHz Intel i5 (Dualcore) několikanásobně rychlejší než 3 GHz Intel Pentium D (Dualcore).

Komentáře

• Pouhé přetaktování zvyšuje lineární využití výkonu procesoru. Zdvojnásobení rychlosti hodin tedy znamená dvojnásobné použití energie. Ale při vyšších rychlostech hodin se brány příliš zpomalí, aby s touto rychlostí hodin mohly pracovat, a začnete dostávat chyby výpočtu – > náhodné pády. Abyste urychlili brány, musíte zvýšit napětí. Spotřeba energie se stupnice rovná napětí. Zdvojnásobení napětí znamená čtyřnásobek spotřeby energie. Přidejte to, abyste zdvojnásobili hodiny a získáte osmkrát spotřebu energie. Také potřebné napětí exponenciálně roste s rychlostí hodin. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• Dalším problémem je, že přepětí může váš procesor jednoduše smažit a není nic, co by mohlo být provedeno proti tomu. Pokud je váš procesor specifikován např. 3,3 V byste mohli jít na 3,7 nebo dokonce na 4V, ale pokud jdete na vysokou, zničí to jen čip. Další odkaz, který stojí za přečtení: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• Přenosová rychlost je problém: při 3Ghz získáte pouze 10 cm / cyklus. Jelikož typická kostka procesoru má v současné době 300 m ², domnívám se, že po 10 Ghz by bylo nutné přehodnotit design procesoru, protože pravděpodobně nelze dosáhnout všech částí čipu v jednom cyklu.
• @MartinSchr ö der: To není až tak velký problém, protože (a) CPU zemře kvůli teplu a zpoždění brány před dosažením 10 GHz a (b) procesory se s každou generací zmenšují. Například 6jádrový i7 s hyperthreadingem má přibližně stejnou velikost jako jednojádrový Pentium 4. Ale i7 má 6 plných jader a 6 dalších “ polovičních jader “ pro hyperthreading. Také existuje mezipaměť. Také tato jádra jsou rozdělena do fází potrubí. Je třeba dosáhnout pouze částí CPU v jedné jádře a jedné fázi potrubí (a možná L1-cache) v jednom cyklu.
• @ com.prehensible Příspěvek, který jste propojili, hovoří konkrétně o skutečnosti že tento 500GHz tranzistor je “ pouze “ analogový tranzistor používaný pro analogové RF zpracování. V žádném případě to není počítačový procesor.

Odpovědi na vaše otázky jsou: Ano , existuje fyzická limit na rychlost CPU. Nejvyšší teoretický limit bude nastaven podle toho, jak rychle dokáže „přepínač“ přepínat stavy. Pokud použijeme elektron jako základ přepínače, použijeme Bohrův poloměr $$ r = 5,291 \ krát 10 ^ {- 11} $$ a nejvyšší možnou rychlost $$ c = 3 \ krát 10 ^ 8, $$ pro výpočet frekvence $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9,03 \ krát 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ Na aktuální stav technologie, skutečný limit je přibližně $$ 8 \ krát 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Komentáře

• Udělal jsem ve vašem LaTeXu několik úprav. Mohl byste prosím zkontrolovat, zda byla úprava frekvence správná?
• Jak jste dospěli k současnému stavu technologického limitu?
• Také byste postavili ten nejrychlejší možný počítač na Schwarzschild poloměr černé díry pro maximální efekt. Poloměr Bohra je způsob, jak pracovat s vysokými rychlostmi. 🙂

Jedna otázka tedy zní: Existuje fyzický limit rychlosti CPU?

To do značné míry závisí na samotném CPU. Výrobní tolerance mají za následek skutečnost, že fyzický limit je pro každý čip trochu odlišný, dokonce iu stejné destičky.

zpoždění přenosu způsobují další omezení rychlosti CPU. Nezmiňují však, jak rychle se to může dostat.

Je to proto, že transmission delay nebo speed path length je volba návrháře čipu. Stručně řečeno, je to, kolik práce logika dokáže v jediném hodinovém cyklu . Složitější logika vede k pomalejším maximálním rychlostem hodin, ale také spotřebovává méně energie.

Proto chcete použít srovnávací test k porovnání procesorů. Čísla práce na cyklus se výrazně liší, takže srovnání surového MHz vám může dát špatnou představu.

Prakticky je to rozhodně tepelný výkon, který je přibližně úměrný druhé mocnině napětí: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Každý materiál má svou specifickou tepelnou kapacitu, která omezuje účinnost chlazení.

Bez ohledu na technické problémy týkající se chlazení a zpoždění přenosu zjistíte, že rychlost světla omezuje vzdálenost, kterou může signál projít v našem CPU za sekundu. . CPU proto musí být čím menší, tím rychleji pracuje.

Konečně, po určité frekvenci se CPU může stát transparentním pro funkce elektronických vln (elektrony modelované jako vlnové funkce podle Schrödingerovy rovnice).

V roce 2007 někteří fyzici vypočítali základní limit pro provozní rychlosti: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Stejně jako všechny ostatní odpovědi existuje také několik dalších faktorů, které nemusí přímo ovlivnit rychlost CPU, ale mohou kolem toho budovat cokoli. CPU docela obtížné;

Stručně řečeno, nad DC se rádiová frekvence stává problémem. Čím rychleji jdete, tím více je nakloněno vše chovat se jako obří rádio. To znamená, že stopy PCB trpí přeslechy, efekty jejich vlastní kapacity / indukčnosti se sousedními tratěmi / základní rovinou, hlukem atd. atd.

Čím rychleji jedete, tím horší to všechno je – nohy komponent mohou představit nepřijatelný ptable inductance for example.

Podíváte-li se na pokyny pro rozvržení „základních“ PCB na úrovni Raspberry Pi s nějakou DDR RAM, všechny stopy po datové sběrnici atd. musí mít stejnou délku, správné zakončení atd. a to běží hluboko pod 1 GHz.