Quest-ce qui limite la vitesse du processeur?

En pratique, ce qui limite la vitesse du processeur est à la fois la chaleur générée et les retards de porte, mais généralement, la chaleur devient un problème bien plus important avant que ce dernier ne se déclenche .

Les processeurs récents sont fabriqués en utilisant la technologie CMOS. Chaque fois quil y a un cycle dhorloge, la puissance est dissipée. Par conséquent, une vitesse de processeur plus élevée signifie une meilleure dissipation thermique.

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

Voici quelques chiffres:

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 

Vous peut vraiment voir comment la puissance de transition du processeur augmente (de façon exponentielle!).

De plus, il y a des effets quantiques qui interviennent à mesure que la taille des transistors diminue. Au niveau nanométrique, les portes de transistor deviennent en fait  » fuites « .

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

Je ne sais pas comment cette technologie fonctionne ici, mais je suis sûr que vous pouvez utiliser Google pour rechercher ces sujets.

Daccord, maintenant, pour les délais de transmission.

Chaque  » fil  » à lintérieur du CPU agit comme un petit condensateur. De plus, la base du transistor ou la grille du MOSFET agissent comme de petits condensateurs. Afin de changer la tension sur une connexion, vous devez soit charger le fil, soit supprimer la charge. À mesure que les transistors rétrécissent, il devient plus difficile de le faire. Cest pourquoi la SRAM a besoin de transistors damplification, car les transistors de la matrice de mémoire sont si petits et faibles.

Dans les conceptions de circuits intégrés typiques, où la densité est très importante, les cellules binaires ont de très petits transistors. De plus, ils sont généralement intégrés dans de grands réseaux, qui ont de très grandes capacités de ligne de bits. Cela entraîne une décharge très lente (relativement) de la ligne de bits par la cellule de bits.

De: Comment implémenter lamplificateur de détection SRAM?

Fondamentalement, le fait est quil est plus difficile pour les petits transistors de piloter les interconnexions.

De plus, il y a retards de porte. Les processeurs modernes ont plus de dix étapes de pipeline, peut-être jusquà vingt.

Problèmes de performances dans le pipelining

Il y a également des effets inductifs. Aux fréquences micro-ondes, elles deviennent assez importantes. Vous pouvez rechercher la diaphonie et ce genre de choses.

Maintenant, même si vous parvenez à faire fonctionner un processeur 3265810 THz, une autre limite pratique est la vitesse à laquelle le reste du système peut le supporter. Soit vous devez avoir de la RAM, du stockage, une logique de collage et dautres interconnexions qui fonctionnent tout aussi rapidement, soit vous avez besoin dun immense cache.

Commentaires

• Vous voudrez peut-être inclure un lien vers cette discussion pour des références intéressantes sur la relation entre la vitesse dhorloge et la consommation dénergie: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Il y a ‘ aussi la vitesse de lélectricité à prendre en compte quand on parle de retards de transmission en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Augmente-t-il réellement de façon exponentielle ou simplement quadratique? En fait, cette vidéo indique que Power = Frequency ^ 1.74.
• Bon point, cependant, lun des les principales difficultés dans la conception des CPU sont les interconnexions. Une puce physiquement grande peut être possible, mais rappelez-vous que celles-ci fonctionnent dans la gamme des gigahertz. Vous voulez garder les fils courts.
• Puisque la question est théorique, on peut ajouter que dautres semi-conducteurs, comme larséniure de gallium, autorisent des fréquences plus élevées.

Le problème de chaleur est bien couvert par fuzzyhair . Pour résumer les délais de transmission, considérez ceci: Le temps nécessaire pour quun signal électrique traverse la carte mère est maintenant plus dun cycle dhorloge dun processeur moderne. Donc, rendre les processeurs plus rapides ne va pas accomplir grand-chose.

Un processeur ultra-rapide nest vraiment bénéfique que dans les processus massifs de calcul des nombres, et seulement si votre code est soigneusement optimisé pour faire son travail sur- Si elle doit souvent aller ailleurs pour obtenir des données, toute cette vitesse supplémentaire est gaspillée. Dans les systèmes daujourdhui, la majorité des tâches peuvent être exécutées en parallèle et les gros problèmes sont répartis sur plusieurs cœurs.

Cela semble comme votre processus de compilation latex serait amélioré par:

• Faster IO. Essayez un disque RAM.
• Exécution de différents documents sur différents cœurs
• Je ne mattends pas à ce quun travail de 200 pages gourmand en images soit effectué dans 2 secondes

Commentaires

• Dommage, je nai droit quà un seul vote favorable. Votre réponse mérite davantage de souligner que la fréquence dhorloge nest peut-être pas le goulot détranglement dans le problème de lOP ‘.

Il y a trois limites physiques: la chaleur, le retard de porte et la vitesse de transmission électrique.

Le record du monde de la vitesse dhorloge la plus élevée à ce jour est (selon ce lien) 8722,78 MHz

La vitesse de transmission électrique (à peu près la même que la vitesse de la lumière) est la vitesse physique absolue limite, car aucune donnée ne peut être transmise plus rapidement que son support. En même temps, cette limite est très élevée, donc ce nest généralement pas un facteur limitant.

Les processeurs sont constitués dénormes quantités de portes, dont un bon nombre sont connectées en série (lune après lautre). Un passage de létat haut (par exemple 1) à létat bas (par exemple 0) ou vice versa prend un certain temps. Cest le délai de porte. Donc, si vous avez 100 portes connectées en série et quil faut 1 ns pour basculer, vous devrez attendre au moins 100 ns pour que le tout vous donne une sortie valide.

Ces commutateurs sont la chose qui prend le plus de puissance sur un processeur. Cela signifie que si vous augmentez la vitesse dhorloge, vous obtenez plus de commutateurs, utilisez donc plus de puissance et augmentez ainsi la production de chaleur.

La surtension (= > fournissant plus de puissance) diminue un peu le délai de la porte, mais augmente à nouveau la production de chaleur.

Quelque part autour de 3 GHz la consommation dénergie pour la vitesse dhorloge augmente considérablement. Cest pourquoi les processeurs 1,5 GHz peuvent fonctionner sur un téléphone intelligent tandis que la plupart des processeurs 3-4 GHz ne peuvent même pas être exécutés sur un ordinateur portable.

Mais la vitesse dhorloge nest pas la seule chose qui peut accélérer un Le processeur, ainsi que les optimisations au niveau du pipeline ou de larchitecture du microcode, peuvent entraîner une accélération significative. Cest pourquoi un Intel i5 3 GHz (Dualcore) est plusieurs fois plus rapide quun Intel Pentium D 3 GHz (Dualcore).

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• Le simple overclocking augmente la consommation dénergie du processeur de manière linéaire. Donc, doubler la vitesse dhorloge signifie une double consommation dénergie. Mais à des vitesses dhorloge plus élevées, les portes deviennent trop lentes pour fonctionner avec cette vitesse dhorloge et vous commencez à avoir des erreurs de calcul – > plantages aléatoires. Vous devez donc augmenter la tension pour accélérer les portes. La consommation dénergie varie carrément par rapport à la tension. Donc, doubler la tension signifie quatre fois la consommation dénergie. Ajoutez cela pour doubler lhorloge et vous obtenez huit fois la consommation dénergie. La tension nécessaire augmente également de façon exponentielle avec la vitesse dhorloge. fr.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• Lautre problème ici est que la surcharge peut simplement faire frire votre CPU et rien ne peut être fait contre cela. Si votre CPU est spécifié par ex. 3,3 V, vous pourrez peut-être aller jusquà 3,7 ou peut-être même 4 V, mais si vous allez trop haut, cela détruira simplement la puce. Un autre lien à lire: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• La vitesse de transmission est un problème: à 3 GHz, vous nobtenez que 10 cm / cycle. Étant donné quune puce de processeur typique a actuellement 300 m ², je pense quaprès 10 Ghz, il faudrait repenser la conception du processeur car toutes les parties de la puce ne peuvent probablement pas être atteintes en un seul cycle.
• @MartinSchr ö der: Ce nest pas vraiment un problème, car (a) le CPU meurt à cause de la chaleur et du délai de porte avant que les 10 GHz ne soient atteints et (b) les processeurs deviennent plus petits à chaque génération. Par exemple, un i7 à 6 cœurs avec hyperthreading a à peu près la même taille quun Pentium 4 à un seul cœur. Mais li7 a 6 cœurs pleins et 6 autres demi-cœurs  »  » pour lhyperthreading. Il y a aussi le cache. De plus, ces noyaux sont divisés en phases de pipeline. Seules les parties du processeur dans un cœur et une phase de pipeline (et peut-être le cache L1) doivent être atteintes en un seul cycle.
• @ com.prehensible Le message que vous avez lié parle en fait spécifiquement du fait , que ce transistor de 500 GHz est  » uniquement  » un transistor analogique utilisé pour le traitement RF analogique. Ce nest en aucun cas un processeur informatique.

Les réponses à vos questions sont: Oui , il y a un physique limite de la vitesse du processeur. La limite théorique la plus élevée sera fixée par la vitesse à laquelle un «commutateur» peut changer détat. Si nous utilisons lélectron comme base du commutateur, nous utilisons le rayon de Bohr $$ r = 5.291 \ times 10 ^ {- 11} $$ et la vitesse la plus rapide possible $$ c = 3 \ times 10 ^ 8, $$ pour calculer la fréquence $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9,03 \ fois 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ Au état actuel de la technologie , la limite réelle est denviron $ 8 \ fois 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Commentaires

• Jai fait quelques modifications sur votre LaTeX. Pourriez-vous sil vous plaît vérifier si la modification de la fréquence était correcte?
• Comment avez-vous établi létat actuel de la limite technologique?
• Vous construiriez également cet ordinateur le plus rapide possible sur le Schwarzschild rayon dun trou noir pour un effet maximal. Le rayon de Bohr est bien trop grand pour travailler à grande vitesse. 🙂

Une question est donc: Y a-t-il une limite physique à la vitesse du processeur?

Cela dépend fortement du processeur lui-même. Les tolérances de fabrication se traduisent par le fait que la limite physique est un peu différente pour chaque puce même à partir de la même plaquette.

les retards de transmission provoquent une autre limitation de la vitesse du processeur. Cependant, ils ne mentionnent pas la vitesse à laquelle il peut arriver.

Cest parce que transmission delay ou speed path length est un choix à faire par le concepteur de la puce. En un mot, il sagit du travail effectué par la logique en un seul cycle dhorloge . Une logique plus complexe entraîne des fréquences dhorloge maximales plus lentes, mais utilise également moins dénergie.

Cest pourquoi vous souhaitez utiliser un benchmark pour comparer les processeurs. Les nombres de travail par cycle sont très différents, donc comparer les MHz bruts peut vous donner une mauvaise idée.

En pratique, cest bien la puissance thermique, qui est approximativement proportionnelle au carré de la tension: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Chaque matériau a sa capacité thermique spécifique qui limite lefficacité du refroidissement.

Sans tenir compte des problèmes techniques de refroidissement et de retard de transmission, vous constaterez que la vitesse de la lumière limite la distance quun signal peut parcourir dans notre processeur par seconde . Par conséquent, le processeur doit devenir plus petit plus il fonctionne rapidement.

Enfin, au-delà dune certaine fréquence, le processeur peut devenir transparent pour les fonctions donde électroniques (électrons modélisés comme des fonctions donde suivant léquation de Schrödinger).

En 2007, certains physiciens ont calculé une limite fondamentale pour les vitesses de fonctionnement: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

En plus de toutes les autres réponses, il y a aussi quelques autres considérations qui peuvent ne pas affecter directement la vitesse du processeur mais qui permettent de construire quoi que ce soit autour de cela Processeur assez difficile;

En bref, au-dessus de DC, la fréquence radio devient un problème. Plus vous allez vite, plus tout est enclin à agir comme une radio géante. Cela signifie que les traces de PCB souffrent de diaphonie, les effets de leur capacité / inductance inhérente aux pistes adjacentes / au plan de masse, au bruit, etc. etc.

Plus vous allez vite, plus tout cela empire – pattes de composants peuvent introduire unacce inductance ptable par exemple.

Si vous regardez les directives pour la disposition des PCB « basiques » du type de niveau dun Raspberry Pi avec de la RAM DDR, toutes les traces pour le bus de données etc. doivent être de longueur égale, avoir une terminaison correcte, etc. et cela fonctionne bien en dessous de 1 GHz.