¿Qué limita la velocidad de la CPU?

Prácticamente, lo que limita la velocidad de la CPU es tanto el calor generado como los retrasos en la puerta, pero por lo general, el calor se convierte en un problema mucho mayor antes de que este último se active. .

Los procesadores recientes se fabrican con tecnología CMOS. Cada vez que hay un ciclo de reloj, la energía se disipa. Por lo tanto, velocidades de procesador más altas significan más disipación de calor.

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

Aquí hay algunas cifras:

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 

Usted Realmente puede ver cómo aumenta la potencia de transición de la CPU (¡exponencialmente!).

Además, hay algunos efectos cuánticos que se activan a medida que se reduce el tamaño de los transistores. A niveles nanométricos, las puertas de transistores en realidad se vuelven » con fugas «.

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

No entraré en cómo funciona esta tecnología aquí, pero estoy seguro de que puedes usar Google para buscar estos temas.

Bien, ahora, para los retrasos en la transmisión.

Cada » cable » dentro de la CPU actúa como un pequeño condensador. Además, la base del transistor o la puerta del MOSFET actúan como pequeños condensadores. Para cambiar el voltaje en una conexión, debe cargar el cable o quitar la carga. A medida que los transistores se encogen, se vuelve más difícil hacer eso. Esta es la razón por la que SRAM necesita transistores de amplificación, porque los transistores de matriz de memoria en realidad son muy pequeños y débiles.

En los diseños de circuitos integrados típicos, donde la densidad es muy importante, las celdas de bits tienen transistores muy pequeños. Además, normalmente se integran en matrices grandes, que tienen capacidades de línea de bits muy grandes. Esto da como resultado una descarga muy lenta (relativamente) de la línea de bits por la celda de bits.

De: ¿Cómo implementar el amplificador de detección SRAM?

Básicamente, el punto es que es más difícil para los transistores pequeños manejar las interconexiones.

Además, hay retrasos en la puerta. Las CPU modernas tienen más de diez etapas de canalización, quizás hasta veinte.

Problemas de rendimiento en la canalización

Hay también efectos inductivos. A frecuencias de microondas, se vuelven bastante importantes. Puede buscar diafonía y ese tipo de cosas.

Ahora, incluso si logra que funcione un procesador 3265810 THz, otro límite práctico es qué tan rápido el resto del sistema puede admitirlo. Debes tener RAM, almacenamiento, lógica de pegamento y otras interconexiones que funcionen igual de rápido, o necesitas un caché inmenso.

Comentarios

• Es posible que desee incluir un vínculo a esta discusión para obtener buenas referencias sobre cómo se relacionan la velocidad del reloj y el consumo de energía: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Hay ‘ también la velocidad de la electricidad a considerar cuando se habla de retrasos en la transmisión en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• ¿Realmente aumenta exponencialmente o simplemente cuadráticamente? De hecho, este video dice que Power = Frequency ^ 1.74.
• Buen punto, sin embargo, uno de las mayores dificultades en el diseño de CPU son las interconexiones. Puede ser posible un chip físicamente grande, pero recuerde que estos funcionan en el rango de gigahercios. Desea mantener los cables cortos.
• Dado que la pregunta es teórica, se puede agregar que otros semiconductores, como el arseniuro de galio, permiten frecuencias más altas.

El tema del calor está bien cubierto por fuzzyhair . Para resumir los retrasos en la transmisión, considere lo siguiente: el tiempo necesario para que una señal eléctrica atraviese la placa base es ahora más de un ciclo de reloj de una CPU moderna. Por lo tanto, hacer CPU más rápidas no va a lograr mucho.

Un procesador súper rápido realmente solo es beneficioso en procesos masivos de procesamiento de números, y solo si su código está cuidadosamente optimizado para hacer su trabajo en … chip. Si con frecuencia tiene que ir a otra parte en busca de datos, toda esa velocidad adicional se desperdicia. En los sistemas actuales, la mayoría de las tareas se pueden ejecutar en paralelo y los grandes problemas se dividen en varios núcleos.

Suena como si su proceso de compilación de látex se mejoraría con:

• IO más rápido. Pruebe con un disco RAM.
• Ejecutar diferentes documentos en diferentes núcleos
• No esperar que se realice un trabajo de 200 páginas con uso intensivo de imágenes en 2 segundos

Comentarios

• Lástima que solo se me permita un voto a favor. Su respuesta merece más por señalar que la frecuencia de reloj puede no ser el cuello de botella en el problema de OP ‘ s.

Hay tres límites físicos: el calor, el retraso de la puerta y la velocidad de la transmisión eléctrica.

El récord mundial en la velocidad de reloj más alta hasta ahora es (según este enlace) 8722,78 MHz

La velocidad de transmisión eléctrica (aproximadamente la misma que la velocidad de la luz) es la física absoluta límite, ya que ningún dato puede transmitirse más rápido que su medio. Al mismo tiempo, este límite es muy alto, por lo que no suele ser un factor limitante.

Las CPU constan de grandes cantidades de puertas, de las cuales bastantes están conectadas en serie (una tras otra). Un cambio del estado alto (por ejemplo, 1) al estado bajo (por ejemplo, 0) o viceversa lleva un tiempo. Este es el retraso de la puerta. Entonces, si tiene 100 puertas conectadas en serie y una tarda 1 ns en cambiar, tendrá que esperar al menos 100 ns para que todo le dé una salida válida.

Estos conmutadores son lo que toma la mayor cantidad de energía en una CPU. Esto significa que si aumenta la velocidad del reloj, obtiene más interruptores, por lo que utiliza más energía y aumenta la salida de calor.

Sobrevoltaje (= > proporcionando más energía) disminuye un poco el retardo de la puerta, pero nuevamente aumenta la salida de calor.

En algún lugar alrededor de 3 GHz el uso de energía para la velocidad del reloj aumenta extremadamente. Esta es la razón por la que las CPU de 1,5 GHz pueden ejecutarse en un teléfono inteligente, mientras que la mayoría de las CPU de 3-4 GHz ni siquiera pueden ejecutarse en una computadora portátil.

Pero la velocidad del reloj no es lo único que puede acelerar un La CPU, también las optimizaciones en la tubería o la arquitectura de microcódigo pueden causar una aceleración significativa. Esta es la razón por la que un Intel i5 (Dualcore) de 3 GHz es varias veces más rápido que un Intel Pentium D (Dualcore) de 3 GHz.

Comentarios

• El simple overclocking aumenta el uso de energía de la CPU de forma lineal. Entonces, el doble de la velocidad del reloj significa el doble uso de energía. Pero a velocidades de reloj más altas, las puertas se vuelven demasiado lentas para funcionar con esa velocidad de reloj y comienza a recibir errores de cálculo: > bloqueos aleatorios. Entonces necesitas aumentar el voltaje para acelerar las puertas. El uso de energía se escala directamente en comparación con el voltaje. Entonces, el doble de voltaje significa cuatro veces el uso de energía. Agregue eso para duplicar el reloj y obtendrá ocho veces el uso de energía. Además, el voltaje necesario aumenta exponencialmente con la velocidad del reloj. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• El otro problema aquí es que la sobrevoltaje puede freír su CPU y no hay nada que pueda hacerse contra eso. Si su CPU se especifica para, por ejemplo, 3.3V, es posible que pueda subir a 3.7 o incluso a 4V, pero si sube demasiado, simplemente destruirá el chip. Otro enlace que vale la pena leer: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• La velocidad de transmisión es un problema: a 3Ghz solo obtienes 10cm / ciclo. Dado que una matriz de procesador típica tiene actualmente 300 m ², creo que después de 10 Ghz uno tendría que repensar el diseño del procesador ya que probablemente no todas las partes del chip se pueden alcanzar en un ciclo.
• @MartinSchr ö der: Eso no es un gran problema, ya que (a) la CPU muere debido al calor y el retraso de la puerta antes de que se alcancen los 10 GHz y (b) los procesadores se vuelven más pequeños con cada generación. Por ejemplo, un i7 de 6 núcleos con hyperthreading tiene aproximadamente el mismo tamaño que un Pentium 4 de un solo núcleo. Pero el i7 tiene 6 núcleos completos y 6 más » medios núcleos » para el hyperthreading. También está el caché. Además, estos núcleos se dividen en fases de canalización. Solo las partes de la CPU en un núcleo y una fase de canalización (y tal vez el caché L1) deben alcanzarse en un ciclo.
• @ com.prehensible La publicación que vinculó en realidad habla específicamente sobre el hecho , que este transistor de 500 GHz es » solo » un transistor analógico utilizado para el procesamiento de RF analógico. No es de ninguna manera un procesador de computadora.

Las respuestas a sus preguntas son: Sí , hay un físico límite a la velocidad de la CPU. El límite teórico más alto se establecerá según la rapidez con la que un «interruptor» puede cambiar de estado. Si usamos el electrón como base del cambio, usamos el radio de Bohr $$ r = 5.291 \ times 10 ^ {- 11} $$ y la velocidad más rápida posible $$ c = 3 \ times 10 ^ 8, $$ para calcular la frecuencia $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9.03 \ times 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ En el estado actual de la tecnología, el límite real es de aproximadamente $$ 8 \ times 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Comentarios

• Hice algunas ediciones en tu LaTeX. ¿Podrías comprobar si la edición a la frecuencia fue correcta?
• ¿Cómo se te ocurrió el estado actual del límite tecnológico?
• También construirías esa computadora más rápida posible en Schwarzschild radio de un agujero negro para un efecto máximo. El radio de Bohr es demasiado grande para trabajar a altas velocidades. 🙂

Entonces, una pregunta es: ¿Existe un límite físico para la velocidad de la CPU?

Eso depende en gran medida de la CPU misma. Las tolerancias de fabricación dan como resultado el hecho de que el límite físico es un poco diferente para cada chip, incluso de la misma oblea.

Los retrasos en la transmisión provocan otra limitación en la velocidad de la CPU. Sin embargo, no mencionan lo rápido que puede llegar.

Eso es porque transmission delay o speed path length es una elección que debe hacer el diseñador del chip. En pocas palabras, es cuánto trabajo hace la lógica en un solo ciclo de reloj . Una lógica más compleja da como resultado velocidades de reloj máximas más lentas, pero también usa menos energía.

Es por eso que desea usar un punto de referencia para comparar CPU. Los números de trabajo por ciclo son muy diferentes, por lo que comparar MHz sin procesar puede darle una idea equivocada.

Prácticamente, definitivamente es la potencia térmica, que es aproximadamente proporcional al cuadrado del voltaje: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Cada material tiene su capacidad calorífica específica que limita la eficiencia de enfriamiento.

Sin considerar los problemas técnicos sobre el enfriamiento y el retraso de la transmisión, encontrará que la velocidad de la luz limita la distancia que una señal puede viajar dentro de nuestra CPU por segundo . Por lo tanto, la CPU debe hacerse más pequeña cuanto más rápido opera.

Finalmente, más allá de una cierta frecuencia, la CPU puede volverse transparente para las funciones de onda electrónicas (electrones modelados como funciones de onda siguiendo la ecuación de Schrödinger).

En 2007, algunos físicos calcularon un límite fundamental para las velocidades de funcionamiento: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Además de todas las otras respuestas, también hay algunas otras consideraciones que pueden no afectar la velocidad de la CPU directamente, pero hacen que la construcción de algo alrededor de eso CPU bastante difícil;

En resumen, por encima de DC, la frecuencia de radio se convierte en un problema. Cuanto más rápido vas, más inclinado está todo a actuar como una radio gigante. Esto significa que los trazos de PCB sufren diafonía, los efectos de su capacitancia / inductancia inherente con pistas adyacentes / plano de tierra, ruido, etc., etc., etc.

Cuanto más rápido vaya, peor se pondrá todo esto: patas de componentes pueden introducir unacce inductancia ptable, por ejemplo.

Si observa las pautas para diseñar PCB «básicos» del tipo de nivel de una Raspberry Pi con algo de RAM DDR, todos los rastros del bus de datos, etc. tiene que ser de la misma longitud, tener la terminación correcta, etc. y eso está funcionando muy por debajo de 1GHz.