Mi korlátozza a processzor sebességét?

Gyakorlatilag a CPU sebességét korlátozza a keletkező hő és a kapu késése is, de általában a hő sokkal nagyobb kérdéssé válik, mielőtt az utóbbi beindul .

A legújabb processzorok CMOS technológiával készülnek. Valahányszor van egy órajel, az energia eloszlik. Ezért a nagyobb processzorsebesség nagyobb hőelvezetést jelent.

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

Íme néhány ábra:

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 

Ön valóban láthatja, hogyan növekszik a CPU átmeneti teljesítménye (exponenciálisan!).

Emellett vannak olyan kvantumhatások, amelyek beindulnak, amikor a tranzisztorok mérete csökken. Nanométeres szinteken a tranzisztoros kapuk valójában ” szivárgókká válnak “.

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

Nem fogok belemenni a technológia működésébe, de biztos vagyok benne, hogy a Google segítségével megkeresheti ezeket a témákat.

Rendben van, az átviteli késések miatt.

A CPU-n belül található minden ” vezeték ” kis kondenzátorként működik. Ezenkívül a tranzisztor bázisa vagy a MOSFET kapuja kis kondenzátorként működik. A csatlakozás feszültségének megváltoztatásához vagy fel kell tölteni a vezetéket, vagy el kell távolítania a töltést. Ahogy a tranzisztorok zsugorodnak, ezt egyre nehezebb megtenni. Ezért van szüksége az SRAM-nak amplifikációs tranzisztorokra, mert a valójában memóriatömb-tranzisztorok olyan kicsiek és gyengék.

Tipikus IC-tervezéseknél, ahol a sűrűség nagyon fontos, a bitsejteknek nagyon kicsi a tranzisztora. Ezenkívül általában nagy tömbökbe vannak építve, amelyek nagyon nagy bitvonal-kapacitással rendelkeznek. Ennek eredményeként a bitvonal nagyon lassan (viszonylag) kisüt a bitvonalból.

Feladó: Hogyan lehet megvalósítani az SRAM érzékelő erősítőt?

Alapvetően az a lényeg, hogy a kis tranzisztorok nehezebben tudják vezetni az összeköttetéseket.

Ezen kívül vannak kapu késések. A modern CPU-knak tíznél több, esetleg húsz szakasza van.

A csővezeték teljesítményének problémái

Vannak induktív hatások is. Mikrohullámú frekvenciákon meglehetősen jelentősek. Megnézheti az áthallást és az ilyesmit.

Most még akkor is, ha sikerül működtetnie egy 3265810 THz processzort, egy másik gyakorlati korlát az, hogy a rendszer többi része milyen gyorsan képes támogatni. Vagy rendelkeznie kell RAM-mal, tárolóval, ragasztó logikával és más, ugyanolyan gyorsan teljesítő összeköttetésekkel, vagy óriási gyorsítótárra van szüksége.

Megjegyzések

• Érdemes egy linket mellékelni ehhez a beszélgetéshez, hogy megismerje az órajel és az energiafogyasztás viszonyát: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Van ‘ a villamos energia sebessége is, amelyet figyelembe kell venni, ha az átviteli késésekről beszélünk hu.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Valóban exponenciálisan, vagy csak kvadratikusan növekszik? Valójában ez a videó azt mondja, hogy Power = Frequency ^ 1.74.
• Jó pont, azonban az egyik a CPU-tervezés legnagyobb nehézségét az összekapcsolás jelenti. Fizikailag nagy chip lehetséges, de ne feledje, hogy ezek a gigahertz tartományban működnek. Rövidnek akarja tartani a vezetékeket.
• Mivel a kérdés elméleti, hozzá lehet tenni, hogy más félvezetők, például a gallium-arzén, magasabb frekvenciákat tesznek lehetővé.

A hőproblémát jól lefedi a fuzzyhair . Az átviteli késések összegzéséhez vegye figyelembe ezt: Az elektromos jelnek az alaplapon való áthaladásához szükséges idő több, mint egy órajel ciklus egy modern CPU-hoz. Tehát a gyorsabb CPU-k készítése nem fog sok eredményt elérni.

A szupergyors processzor valóban csak hatalmas tömeges folyamatokban előnyös, és csak akkor, ha a kódot gondosan optimalizálták, chip. Ha gyakran máshová kell mennie az adatokért, akkor az extra sebesség pazarolódik el. A mai rendszerekben a feladatok többsége párhuzamosan futtatható, és a nagy problémák több magra oszlanak.

Úgy hangzik mint a latex fordítási folyamatát:

• Gyorsabb IO. Próbálja ki a RAMlemezt.
• Különböző dokumentumok futtatása különböző magokon
• Nem várható, hogy 200 oldalas képigényes munkát kell elvégezni 2 másodperc

Megjegyzések

• Kár, hogy csak egy szavazatot engedélyezek. A válaszod többet érdemel, ha rámutattál arra, hogy az órajel nem lehet a szűk keresztmetszet az OP ‘ problémában.

Három fizikai határ van: hő, kapu késleltetés és az elektromos átvitel sebessége.

Az eddigi legnagyobb órajel világrekordja: ( ennek a linknek megfelelően) 8722,78 MHz

Az elektromos átviteli sebesség (kb. megegyezik a fénysebességgel) az abszolút fizikai korlát, mivel egyetlen adatot sem lehet továbbítani a médiumánál gyorsabban. Ugyanakkor ez a határ nagyon magas, ezért általában nem korlátozó tényező.

A CPU-k hatalmas mennyiségű kapukból állnak, amelyekből jó néhány sorosan (egymás után) van összekötve. A magas állapotból (pl. 1) alacsony állapotba (pl. 0) vagy fordítva történő áttérés eltart egy ideig. Ez a kapu késése. Tehát, ha 100 kapu van sorosan csatlakoztatva, és az egyik 1 ns-t vesz igénybe a váltáshoz, akkor legalább 100 ns-t kell várnia, amíg az egész érvényes kimenetet ad.

Ezek a kapcsolók azok, a CPU legnagyobb energiáját veszi fel. Ez azt jelenti, hogy ha növeli az órajelet, akkor több kapcsolót kap, így több energiát használ fel, így növelve a hőteljesítményt.

A túlfeszültség (= > nagyobb energiát biztosít) kissé csökkenti a kapu késését, de ismét növeli a hőteljesítményt.

Valahol 3 GHz körül az órajelhez szükséges energiafelhasználás rendkívül megnő. Ezért tudnak 1,5 GHz-es CPU-k okos telefonon futtatni, míg a legtöbb 3-4 GHz-es processzor még laptopon sem futtatható.

De az Óra sebessége nem az egyetlen, ami felgyorsíthatja a A processzor, a csővezeték optimalizálása vagy a mikrokód architektúra jelentős gyorsulást okozhat. Ezért egy 3 GHz-es Intel i5 (Dualcore) többszöröse olyan gyors, mint egy 3 GHz-es Intel Pentium D (Dualcore).

Megjegyzések

• A túlhúzás lineárisan növeli a CPU energiafelhasználását. Tehát a dupla órajel kettős energiafelhasználást jelent. Nagyobb órajelnél azonban a kapuk túl lassúak ahhoz, hogy ezzel az órajellel működjenek, és számítási hibákat kezd el kapni – > véletlenszerű összeomlás. Tehát meg kell növelni a feszültséget a kapuk felgyorsítása érdekében. Az energiafelhasználás skálája pontosan a feszültséghez viszonyítva. Tehát a feszültség kétszerese az energiafelhasználás négyszeresét jelenti. Ha ezt megduplázza, akkor nyolcszorosára nő az energiafelhasználás. A szükséges feszültség az órajel sebességével exponenciálisan növekszik. hu.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• A másik probléma itt az, hogy a túlfeszültség csak megsütheti a CPU-t, és semmi sem teheti tenni ellene. Ha a CPU-t pl. 3,3 V-ra felmehet akár 3,7-re vagy akár 4 V-ra is, de ha magasra megy, akkor csak megsemmisíti a chipet. Egy másik link, amelyet érdemes elolvasni: hu.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• Az átviteli sebesség probléma : 3Ghz-nél csak 10cm / ciklust kap. Mivel egy tipikus processzormetszetnek jelenleg 300 m ² van, úgy gondolom, hogy 10 Ghz után újragondolni kellene a processzor kialakítását, mivel valószínűleg a chip nem minden része érhető el egy ciklus alatt.
• @MartinSchr ö der: Ez nem akkora probléma, mivel (a) a CPU a hő és a kapu késése miatt meghal, mielőtt a 10 GHz-et eléri. és (b) a processzorok minden generációval kisebbek lesznek. Például egy hiperszálas 6 magos i7 nagyjából akkora, mint az egyszemélyes Pentium 4. De az i7-nek 6 teljes magja van, és további 6 ” félmag ” a hiperszálra. Ott van a gyorsítótár is. Ezeket a magokat is csővezeték fázisokra osztják fel. Csak a CPU egy mag és egy fázis szakaszait (és talán az L1-gyorsítótárat) kell elérni egy ciklus alatt.
• @ com.prehensible Az Ön által összekapcsolt bejegyzés valójában kifejezetten erről a tényről beszél. , hogy ez az 500 GHz-es tranzisztor ” csak ” analóg tranzisztor, amelyet analóg RF procresszióhoz használnak. Ez semmiképpen sem számítógépes processzor.

A kérdéseire a következő válaszok vannak: Igen , van egy fizikai a CPU sebességének korlátozása. A legmagasabb elméleti határt az határozza meg, hogy egy “kapcsoló” milyen gyorsan képes állapotokat váltani. Ha az elektronot használjuk a kapcsolás alapjául, akkor a Bohr sugárral $$ r = 5.291 \ szorozzuk meg a 10 ^ {- 11} $$ értéket és a lehető leggyorsabb sebességet $$ c = 3 \ szor 10 ^ 8, $$ a $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9.03 \ 10-szer 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ frekvencia kiszámításához a jelenlegi technológiai állapot, a tényleges határ körülbelül $ $ 8 \ szor 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Megjegyzések

• Néhány módosítást elvégeztem a LaTeX-en. Meg tudná ellenőrizni, hogy a frekvencia szerkesztése helyes volt-e?
• Hogyan sikerült elérnie a jelenlegi technológiai korlátot?
• A lehető leggyorsabb számítógépet is felépítené a Schwarzschild-en. fekete lyuk sugara a maximális hatás érdekében. A Bohr sugár nagyszerű ahhoz, hogy nagy sebességgel dolgozzon. 🙂

Tehát egy kérdés: Van-e fizikai korlát a CPU sebességére?

Ez nagyban függ magától a CPU-tól. A gyártási tűrések azt a tényt eredményezik, hogy a fizikai határ minden chipnél kissé eltér, még ugyanazon ostyától is.

az átviteli késések újabb korlátozásokat okoznak a CPU sebességében. Azt azonban nem említik, hogy milyen gyorsan eljuthat.

Ez azért van, mert transmission delay vagy speed path length a chip tervezőjének választása. Dióhéjban annyi, hogy a logika mennyi munkát végez egyetlen óra ciklusban . A bonyolultabb logika lassabb maximális órajelet eredményez, ugyanakkor kevesebb energiát is igénybe vesz.

Ez az oka annak, hogy referenciaértéket kíván használni a CPU-k összehasonlításához. A ciklusonkénti munka nagymértékben különbözik, ezért a nyers MHz összehasonlítása téves elképzelést adhat.

Gyakorlatilag mindenképpen a hőteljesítmény, amely hozzávetőlegesen arányos a feszültség négyzetével: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Minden anyagnak megvan a sajátos hőteljesítménye, amely korlátozza a hűtési hatékonyságot.

A hűtési és az átviteli késleltetés technikai kérdéseit nem figyelembe véve a fénysebesség korlátozza azt a távolságot, amelyet a jel másodpercenként megtehet. . Ezért a CPU-nak annál kisebbnek kell lennie, minél gyorsabban működik.

Végül egy bizonyos frekvencián túl a CPU átláthatóvá válhat az elektronikus hullámfüggvények számára (az elektronok hullámfüggvényként modellezve a Schrödinger-féle egyenletet követve).

2007-ben néhány fizikus kiszámította az üzemi sebesség alapvető korlátját: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Az összes többi válasz mellett van néhány egyéb szempont is, amelyek nem befolyásolhatják közvetlenül a CPU sebességét, de bármit felépítenek ennek köré A CPU meglehetősen nehéz;

Röviden, a DC fölött a rádiófrekvencia kérdéssé válik. Minél gyorsabban halad, annál hajlamosabb minden óriási rádióként működni. Ez azt jelenti, hogy a NYÁK nyomai áthallást szenvednek, a hatások a szomszédos vágányokkal / alapsíkkal, zajjal stb. stb. rejlő kapacitásukról / induktivitásukról stb.

Minél gyorsabban halad, annál rosszabb lesz ez az egész – alkatrészlábak bevezethetik unacce ptable induktivitás például.

Ha megnézi az “alap” PCB-k lefektetésének irányelveit, mint egy Raspberry Pi, bizonyos DDR RAM-mal, az adatbusz összes nyomával stb. egyenlő hosszúságúaknak kell lenniük, megfelelő lezárással kell rendelkezniük stb., és ez jóval 1GHz alatt fut.