Mikä rajoittaa suorittimen nopeutta?

Käytännössä mikä rajoittaa suorittimen nopeutta, on sekä syntyvä lämpö että portin viiveet, mutta yleensä lämpö tulee paljon suuremmaksi ongelmaksi ennen kuin jälkimmäinen potkaisee .

Viimeisimmät prosessorit valmistetaan CMOS-tekniikalla. Joka kerta kun kellosykli on, teho häviää. Siksi korkeammat prosessorinopeudet tarkoittavat enemmän lämmöntuottoa.

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

Tässä on joitain lukuja:

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 

Sinä voi todella nähdä, kuinka CPU: n siirtoteho kasvaa (eksponentiaalisesti!).

Lisäksi on joitain kvanttiefektejä, jotka käynnistyvät transistoreiden koon pienentyessä. Transistoriporteista tulee nanometritasoilla ” vuotava ”.

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

En ymmärrä, miten tämä tekniikka toimii täällä, mutta olen varma, että voit etsiä Googlesta näitä aiheita.

Okei, lähetysviiveet.

Jokainen ” -lanka ” suorittimen sisällä toimii pienenä kondensaattorina. Myös transistorin pohja tai MOSFET-portti toimii pieninä kondensaattoreina. Yhteyden jännitteen muuttamiseksi sinun on joko ladattava johto tai poistettava varaus. Kun transistorit kutistuvat, sen tekeminen on vaikeampi. Siksi SRAM tarvitsee vahvistustransistoreita, koska oikeastaan muistiryhmän transistorit ovat niin pieniä ja heikkoja.

Tyypillisissä IC-malleissa, joissa tiheys on erittäin tärkeää, bittisoluilla on hyvin pienet transistorit. Lisäksi ne on tyypillisesti rakennettu suuriksi ryhmiksi, joilla on erittäin suuret bittilinjan kapasitanssit. Tämän seurauksena bittisolu purkaa bittilinjan hyvin hitaasti (suhteellisen).

Lähettäjä: Kuinka SRAM-sense-vahvistin otetaan käyttöön?

Pohjimmiltaan asia on, että pienillä transistoreilla on vaikeampi ajaa yhteenliitäntöjä.

Lisäksi on olemassa portin viivästykset. Nykyaikaisilla suorittimilla on yli kymmenen putkivaihetta, ehkä jopa kaksikymmentä.

Putkilinjan suorituskykyongelmat

On olemassa myös induktiivisia vaikutuksia. Mikroaaltotaajuuksilla niistä tulee melko merkittäviä. Voit etsiä ylikuulumista ja sellaista.

Vaikka onnistutkin saamaan 3265810 THz -prosessorin toimimaan, toinen käytännön rajoitus on, kuinka nopeasti muu järjestelmä voi tukea sitä. Sinulla on joko oltava RAM-muistia, tallennustilaa, liimalogiikkaa ja muita yhtä nopeasti toimivia yhteenliitäntöjä, tai tarvitset valtavan välimuistin.

Kommentit

• Haluat ehkä sisällyttää linkin tähän keskusteluun, jossa on hyviä viitteitä siitä, kuinka kellonopeus ja virrankulutus liittyvät: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Siellä ’ on myös sähkön nopeus, joka on otettava huomioon, kun puhutaan siirtoviiveistä fi.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Kasvaako se todella eksponentiaalisesti vai vain neliöllisesti? Itse asiassa tämä video sanoo, että Power = Frequency ^ 1.74.
• Hyvä asia, kuitenkin, yksi Keskusyksikön suunnittelun suurimmat vaikeudet ovat yhteenliittäminen. Fyysisesti suuri siru voi olla mahdollinen, mutta muista, että nämä toimivat gigahertsin alueella. Haluat pitää johdot lyhyinä.
• Koska kysymys on teoreettinen, voidaan lisätä, että muut puolijohteet, kuten galliumarsenidi, sallivat korkeammat taajuudet.

Lämpökysymys on hyvin katettu fuzzyhairilla . Yhteenvetona lähetysviiveistä on tämä: Aika, joka tarvitaan sähköisen signaalin ylittämiseen emolevystä, on nyt enemmän kuin yksi kellosykli nykyaikaisesta suorittimesta. Joten nopeammien suorittimien tekeminen ei tuota paljoa.

Huippunopea prosessori on todellakin hyödyllinen vain massiivisissa numeroiden murskaamisprosesseissa ja sitten vain, jos koodisi on optimoitu huolellisesti tekemään työtä – siru. Jos tietojen on usein mentävä muualle, kaikki ylimääräinen nopeus hukkaan. Nykypäivän järjestelmissä suurin osa tehtävistä voidaan suorittaa rinnakkain ja suuret ongelmat jaetaan useisiin ytimiin.

Kuulostaa kuten lateksin kääntämisprosessiasi parantaisi:

• Nopeampi IO. Kokeile RAMdisk-levyä.
• Eri asiakirjojen suorittaminen eri ytimissä
• Ei odota 200 sivun kuvaintensiivistä työtä 2 sekuntia

Kommentit

• Harmi, että minulle sallitaan vain yksi äänestys. Vastauksesi ansaitsee enemmän, kun huomautat, että kellotaajuus ei välttämättä ole pullonkaula OP ’ -ongelmassa.

Fyysisiä rajoja on kolme: Lämpö, portin viive ja sähköisen lähetyksen nopeus.

Tähän mennessä korkeimman kellonopeuden maailmanennätys on ( tämän linkin mukaan) 8722,78 MHz

Sähkönsiirtonopeus (suunnilleen sama kuin valon nopeus) on absoluuttinen fyysinen rajaa, koska tietoja ei voida lähettää nopeammin kuin sen media. Samanaikaisesti tämä raja on erittäin korkea, joten se ei yleensä ole rajoittava tekijä.

Keskusyksiköt koostuvat valtavista määristä portteja, joista melko monet on kytketty sarjaan (yksi toisensa jälkeen). Siirtyminen korkeasta tilasta (esim. 1) matalaan tilaan (esim. 0) tai päinvastoin kestää jonkin aikaa. Tämä on portin viive. Joten jos sinulla on 100 porttia kytketty sarjaan ja yhden vaihtaminen vie 1 ns, joudut odottamaan vähintään 100 ns, jotta koko asia antaa sinulle kelvollisen tuotoksen.

Nämä kytkimet ovat asia, joka vie eniten virtaa suorittimelle. Tämä tarkoittaa, että jos lisäät kellotaajuutta, saat enemmän kytkimiä, mikä käyttää enemmän virtaa ja lisää siten lämmöntuotantoa.

Ylijännite (= > lisää virtaa) vähentää portin viivettä hieman, mutta taas lisää lämmöntuotantoa.

Jossain noin 3 GHz kellonopeuden virrankäyttö kasvaa erittäin paljon. Siksi 1,5 GHz: n suorittimet voivat toimia älypuhelimessa, kun taas useimpia 3-4 GHz: n suorittimia ei voida käyttää edes kannettavalla tietokoneella.

Mutta kellonopeus ei ole ainoa asia, joka voi nopeuttaa Suoritin, myös putkilinjan optimoinnit tai mikrokoodiarkkitehtuuri voivat nopeuttaa merkittävästi. Siksi 3 GHz: n Intel i5 (Dualcore) on useita kertoja nopeampi kuin 3 GHz: n Intel Pentium D (Dualcore).

Kommentit

• Pelkkä ylikellotus lisää suorittimen virrankulutusta lineaarisesti. Joten kaksinkertainen kellotaajuus tarkoittaa kaksinkertaista virrankulutusta. Mutta korkeammilla kellotaajuuksilla portit hidastuvat toimiakseen kyseisen kellonopeuden kanssa ja saat laskuvirheitä – > satunnaisia kaatuu. Joten sinun on lisättävä jännitettä porttien nopeuttamiseksi. Sähkönkäyttöasteikko on suorassa suhteessa jännitteeseen. Joten kaksinkertainen jännite tarkoittaa nelinkertaista virrankulutusta. Lisää tämä kaksinkertaiseen kelloon ja saat kahdeksan kertaa virrankulutuksen. Myös tarvittava jännite kasvaa eksponentiaalisesti kellonopeuden mukana. fi.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• Toinen ongelma tässä on, että ylijännite voi vain paistaa suorittimesi, eikä mikään voi tehdä sitä vastaan. Jos suorittimesi on määritetty esim. 3.3V saatat pystyä nousemaan jopa 3.7 tai ehkä jopa 4V, mutta jos nouset korkealle, se vain tuhoaa sirun. Toinen lukemisen arvoinen linkki: fi.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• Lähetysnopeus on ongelma: 3Ghz: llä saat vain 10 cm / jakso. Koska tyypillisellä prosessorimuotilla on tällä hetkellä 300 m ², uskon, että 10 Ghz: n jälkeen prosessorin suunnittelu on mietittävä uudelleen, koska luultavasti kaikkia sirun osia ei voida saavuttaa yhdessä jaksossa. / li>
• @MartinSchr ö der: Se ei ole niin suuri ongelma, koska (a) CPU kuolee lämmön ja portin viiveen vuoksi ennen 10 GHz: n saavuttamista ja (b) prosessorit pienenevät jokaisen sukupolven kanssa. Esimerkiksi 6-ytimisellä i7: llä, jossa on hyperlanka, on suunnilleen sama koko kuin yksisydämisellä Pentium 4: llä. Mutta i7: llä on 6 täyttä ydintä ja 6 muuta ydintä ” puoliytimiä ” hyperlangalle. Siellä on myös välimuisti. Myös nämä ytimet on jaettu putkivaiheisiin. Vain CPU: n osat yhdessä ytimessä ja yhdessä putkivaiheessa (ja ehkä L1-välimuisti) on saavutettava yhdessä jaksossa.
• @ com.prehensible Linkittämäsi viesti todella puhuu tosiasiasta , että tämä 500 GHz: n transistori on ” vain ” analoginen transistori, jota käytetään analogiseen RF-prosessointiin. Se ei ole missään tapauksessa tietokoneprosessori.

Vastaukset kysymyksiisi ovat: Kyllä , fyysinen rajoittaa suorittimen nopeutta. Korkeimman teoreettisen rajan asettaa se, kuinka nopeasti ”kytkin” voi vaihtaa tilaa. Jos käytämme elektronia kytkimen perustana, käytämme Bohrin sädettä $$ r = 5.291 \ kertaa 10 ^ {- 11} $$ ja nopeinta mahdollista nopeutta $$ c = 3 \ kertaa 10 ^ 8, $$ taajuuden laskemiseksi $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9.03 \ kertaa 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ Kohdassa nykyinen tekniikan tila, todellinen raja on noin $$ 8 \ kertaa 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Kommentit

• Tein muutamia muutoksia LaTeX-laitteeseesi. Voisitko tarkistaa, onko taajuusmuokkaus oikein?
• Kuinka keksit nykyisen tekniikkarajan?
• Rakennat myös tämän nopeimman mahdollisen tietokoneen Schwarzschildiin mustan aukon säde maksimaalisen vaikutuksen saavuttamiseksi. Bohrin säde on tapa iso työskennellä suurilla nopeuksilla. 🙂

Joten yksi kysymys on: Onko suorittimen nopeudelle fyysinen rajoitus?

Se riippuu suuresti itse suorittimesta. Valmistustoleranssit johtavat siihen, että fyysinen raja on hieman erilainen jokaiselle sirulle, jopa samasta kiekosta.

siirtoviiveet aiheuttavat toisen rajoituksen suorittimen nopeudelle. He eivät kuitenkaan mainitse kuinka nopeasti se voi saada.

Tämä johtuu siitä, että transmission delay tai speed path length on valinta sirun suunnittelijalle. Lyhyesti sanottuna, kuinka paljon työtä logiikka tekee yhdessä kellosyklissä . Monimutkaisempi logiikka johtaa hitaampiin maksimikellotaajuuksiin, mutta käyttää myös vähemmän virtaa.

Siksi haluat käyttää vertailuarvoa suorittimien vertaamiseen. Työ sykliä kohti on huomattavasti erilainen, joten raakan MHz: n vertaaminen voi antaa sinulle väärän käsityksen.

Käytännössä se on ehdottomasti lämpöteho, joka on suunnilleen verrannollinen jännitteen neliöön: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Jokaisella materiaalilla on erityinen lämpökapasiteetti, joka rajoittaa jäähdytystehokkuutta.

Ottaen huomioon jäähdytyksen ja siirtoviiveen tekniset ongelmat, huomaat valon nopeuden rajoittavan etäisyyttä, jonka signaali voi kulkea prosessorissamme sekunnissa. . Siksi CPU: n on pienennettävä sitä nopeammin, mitä se toimii.

Lopuksi tietyn taajuuden ulkopuolella CPU voi tulla läpinäkyväksi elektronisille aaltotoiminnoille (elektronit, jotka on mallinnettu aaltofunktioina Schrödingerin yhtälön mukaan).

Jotkut fyysikot laskivat vuonna 2007 perustason nopeuden: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Kaikkien muiden vastausten lisäksi on myös muutamia muita näkökohtia, jotka eivät välttämättä vaikuta suoraan suorittimen nopeuteen, mutta rakentavat kaiken sen ympärille Suoritin melko vaikea;

Lyhyesti sanottuna radiotaajuudesta tulee ongelma DC: n yläpuolella. Mitä nopeammin menet, sitä taipuvaisempi kaikki on toimia jättiläisradiona. Tämä tarkoittaa, että piirilevyn jäljet kärsivät ylikuulumisesta, vaikutuksista niiden ominaiskapasitanssista / induktanssista vierekkäisillä raiteilla / maatasolla, melulla jne. jne. jne.

Mitä nopeammin menet, sitä huonommin tämä kaikki tapahtuu – komponenttijalat voivat esitellä unacce esimerkiksi ptable-induktanssi.

Jos tarkastellaan ohjeita, jotka koskevat ”Raspberry Pi” -tyyppisen ”perus” PCB: n asettamista DDR-muistilla, kaikki tietoväylän jäljet jne. niiden on oltava yhtä pituisia, liitännät oikein jne. ja että ne kulkevat selvästi alle 1 GHz.