Cosa limita la velocità della CPU?

In pratica, ciò che limita la velocità della CPU è sia il calore generato che i ritardi del gate, ma di solito il calore diventa un problema di gran lunga maggiore prima che questultimo intervenga .

I processori recenti sono prodotti utilizzando la tecnologia CMOS. Ogni volta che cè un ciclo dellorologio, la potenza viene dissipata. Pertanto, velocità del processore più elevate significano una maggiore dissipazione del calore.

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

Ecco alcune cifre:

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 

Tu può davvero vedere come la potenza di transizione della CPU aumenta (in modo esponenziale!).

Inoltre, ci sono alcuni effetti quantistici che si attivano quando le dimensioni dei transistor si riducono. A livelli nanometrici, i gate dei transistor diventano effettivamente ” leaky “.

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

Non parlerò di come funziona questa tecnologia qui, ma sono sicuro che puoi usare Google per cercare questi argomenti.

Va bene, ora, per i ritardi di trasmissione.

Ogni ” filo ” allinterno della CPU agisce come un piccolo condensatore. Inoltre, la base del transistor o il gate del MOSFET agiscono come piccoli condensatori. Per modificare la tensione su una connessione, è necessario caricare il cavo o rimuovere la carica. Man mano che i transistor si restringono, diventa più difficile farlo. Questo è il motivo per cui SRAM necessita di transistor di amplificazione, perché i transistor dellarray di memoria in realtà sono così piccoli e deboli.

Nei tipici progetti IC, dove la densità è molto importante, le celle di bit hanno transistor molto piccoli. Inoltre, sono tipicamente incorporati in array di grandi dimensioni, che hanno capacità di bit-line molto grandi. Ciò si traduce in una scarica molto lenta (relativamente) della linea di bit da parte della cella di bit.

Da: Come implementare lamplificatore di rilevamento SRAM?

Fondamentalmente, il punto è che è più difficile per i piccoli transistor pilotare le interconnessioni.

Inoltre, ci sono ritardi di gate. Le CPU moderne hanno più di dieci fasi della pipeline, forse fino a venti.

Problemi di prestazioni nel pipelining

Ci sono anche effetti induttivi. Alle frequenze delle microonde, diventano piuttosto significative. Puoi cercare crosstalk e quel genere di cose.

Ora, anche se riesci a far funzionare un processore 3265810 THz, un altro limite pratico è la velocità con cui il resto del sistema può supportarlo. È necessario disporre di RAM, memoria, logica di colla e altre interconnessioni che si comportino altrettanto velocemente oppure è necessaria unimmensa cache.

Commenti

• Potresti includere un link a questa discussione per riferimenti utili su come sono correlati la velocità di clock e il consumo energetico: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Cè ‘ anche la velocità dellelettricità da considerare quando si parla di ritardi di trasmissione en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Aumenta effettivamente in modo esponenziale o solo quadratico? In effetti, questo video dice che Power = Frequency ^ 1.74.
• Buon punto, tuttavia, uno dei le maggiori difficoltà nella progettazione della CPU sono le interconnessioni. Potrebbe essere possibile un chip fisicamente grande, ma ricorda che funzionano nellintervallo dei gigahertz. Vuoi mantenere i cavi corti.
• Poiché la domanda è teorica, si può aggiungere che altri semiconduttori, come larseniuro di gallio, consentono frequenze più alte.

Il problema del calore è ben coperto da fuzzyhair . Per riassumere i ritardi di trasmissione, si consideri questo: il tempo necessario affinché un segnale elettrico attraversi la scheda madre è ora più di un ciclo di clock di una moderna CPU. Quindi rendere CPU più veloci non porterà a molto.

Un processore super veloce è davvero vantaggioso solo nei processi di elaborazione di numeri massivi, e solo se il tuo codice è accuratamente ottimizzato per fare il suo lavoro su- chip. Se deve andare spesso altrove per i dati, tutta quella velocità extra viene sprecata. Nei sistemi odierni la maggior parte delle attività può essere eseguita in parallelo e grandi problemi vengono suddivisi su più core.

come se il tuo processo di compilazione latex sarebbe migliorato da:

• I / O più veloce. Prova un RAMdisk.
• Esecuzione di documenti diversi su core diversi
• Non mi aspetto che venga eseguito un lavoro di 200 pagine ad alta intensità di immagini 2 secondi

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• Peccato che mi sia concesso solo un voto positivo. La tua risposta merita di più per sottolineare che la frequenza di clock potrebbe non essere il collo di bottiglia nel problema dellOP ‘.

Ci sono tre limiti fisici: calore, ritardo del gate e velocità di trasmissione elettrica.

Il record mondiale alla velocità di clock più alta finora è (secondo questo link) 8722,78 MHz

La velocità di trasmissione elettrica (allincirca uguale alla velocità della luce) è quella fisica assoluta limite, poiché nessun dato può essere trasmesso più velocemente del suo mezzo. Allo stesso tempo questo limite è molto alto, quindi di solito non è un fattore limitante.

Le CPU sono costituite da enormi quantità di porte, di cui alcune sono collegate in serie (una dopo laltra). Un passaggio dallo stato alto (es. 1) allo stato basso (es. 0) o viceversa richiede un po di tempo. Questo è il gate delay. Quindi se hai 100 porte connesse in serie e una impiega 1 ns per passare, dovrai aspettare almeno 100 ns affinché lintera cosa ti dia un output valido.

Questi interruttori sono la cosa che richiede più potenza su una CPU. Ciò significa che se si aumenta la velocità di clock si ottengono più interruttori, quindi si utilizza più potenza e si aumenta la potenza termica.

La sovratensione (= > che fornisce più potenza) riduce un po il ritardo del gate, ma aumenta nuovamente la potenza termica.

Da qualche parte intorno a 3 GHz la potenza utilizzata per la velocità di clock aumenta notevolmente. Questo è il motivo per cui le CPU da 1,5 GHz possono essere eseguite su uno smartphone mentre la maggior parte delle CPU da 3-4 GHz non può nemmeno essere eseguita su un laptop.

Ma la velocità di clock non è lunica cosa che può accelerare un CPU, anche le ottimizzazioni alla pipeline o larchitettura del microcodice possono causare una notevole accelerazione. Questo è il motivo per cui un Intel i5 da 3 GHz (Dualcore) è più volte più veloce di un Intel Pentium D (Dualcore) da 3 GHz.

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• Solo loverclock aumenta la potenza della CPU in modo lineare. Quindi raddoppiare la velocità di clock significa un doppio utilizzo di energia. Ma a velocità di clock più elevate i gate diventano troppo lenti per funzionare con quella velocità di clock e inizi a ricevere errori di calcolo – > arresti anomali casuali. Quindi è necessario aumentare la tensione per accelerare i cancelli. Il consumo di energia scala esattamente rispetto alla tensione. Quindi il doppio della tensione significa quattro volte il consumo di energia. Aggiungilo per raddoppiare lorologio e ottieni otto volte il consumo energetico. Anche la tensione necessaria aumenta esponenzialmente con la velocità di clock. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• Laltro problema qui è che lovervolt può semplicemente friggere la tua CPU e non cè niente che possa essere fatto contro quello. Se la tua CPU è specificata per es. 3.3V potresti essere in grado di salire a 3.7 o forse anche a 4V, ma se vai ad alto distruggerà semplicemente il chip. Un altro collegamento che vale la pena leggere: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• La velocità di trasmissione è un problema: a 3Ghz ottieni solo 10 cm / ciclo. Poiché un tipico die di processore ha attualmente 300 m ², credo che dopo 10 Ghz si debba ripensare il design del processore poiché probabilmente non tutte le parti del chip possono essere raggiunte in un ciclo.
• @MartinSchr ö der: Non è un gran problema, dato che (a) la CPU muore a causa del calore e del ritardo del gate prima di raggiungere i 10 GHz e (b) i processori diventano più piccoli con ogni generazione. Ad esempio, un i7 a 6 core con hyperthreading ha allincirca le stesse dimensioni di un Pentium 4 a singolo core. Ma li7 ha 6 core completi e altri 6 ” half-core ” per lhyperthreading. Inoltre cè la cache. Anche questi core sono suddivisi in fasi di pipeline. Solo le parti della CPU in una fase core e una pipeline (e forse la cache L1) devono essere raggiunte in un ciclo.
• @ com.prehensible Il post che hai collegato in realtà parla specificamente del fatto , che questo transistor da 500 GHz è ” solo ” un transistor analogico utilizzato per il processamento RF analogico. Non è affatto un processore del computer.

Le risposte alle tue domande sono: Sì , cè un fisico limite alla velocità della CPU. Il limite teorico più alto sarà impostato dalla velocità con cui un “interruttore” può cambiare stato. Se usiamo lelettrone come base dellinterruttore, usiamo il raggio di Bohr $$ r = 5,291 \ volte 10 ^ {- 11} $$ e la massima velocità possibile $$ c = 3 \ volte 10 ^ 8, $$ per calcolare la frequenza $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9.03 \ times 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ Al attuale stato della tecnologia, il limite effettivo è di circa $$ 8 \ volte 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

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• Ho apportato alcune modifiche al tuo LaTeX. Potresti controllare se la modifica alla frequenza era corretta?
• Come sei arrivato al limite dello stato attuale della tecnologia?
• Costruiresti anche il computer più veloce possibile sullo Schwarzschild raggio di un buco nero per il massimo effetto. Il raggio di Bohr è troppo grande per lavorare ad alte velocità. 🙂

Quindi una domanda è: Cè un limite fisico alla velocità della CPU?

Dipende molto dalla CPU stessa. Le tolleranze di produzione si traducono nel fatto che il limite fisico è leggermente diverso per ogni chip, anche dallo stesso wafer.

i ritardi di trasmissione causano unaltra limitazione nella velocità della CPU. Tuttavia, non menzionano la velocità con cui può arrivare.

Questo perché transmission delay o speed path length è una scelta che il progettista del chip deve fare. In poche parole, è quanto lavoro fa la logica in un singolo ciclo di clock . Una logica più complessa si traduce in velocità di clock massime più lente, ma utilizza anche meno energia.

Questo è il motivo per cui vuoi utilizzare un benchmark per confrontare le CPU. I numeri di lavoro per ciclo sono molto diversi, quindi confrontare i MHz grezzi potrebbe darti unidea sbagliata.

In pratica, è sicuramente la potenza termica, che è approssimativamente proporzionale al quadrato della tensione: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Ogni materiale ha la sua capacità termica specifica che limita lefficienza di raffreddamento.

Non considerando i problemi tecnici sul raffreddamento e il ritardo di trasmissione, troverai che la velocità della luce limita la distanza al secondo che un segnale può percorrere allinterno della nostra CPU . Pertanto, la CPU deve diventare più piccola quanto più velocemente opera.

Infine, oltre una certa frequenza la CPU può diventare trasparente per le funzioni donda elettroniche (elettroni modellati come funzioni donda seguendo lequazione di Schrödinger).

Nel 2007 alcuni fisici hanno calcolato un limite fondamentale per le velocità di funzionamento: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Oltre a tutte le altre risposte, ci sono anche alcune altre considerazioni che potrebbero non influenzare direttamente la velocità della CPU ma costringere a costruire qualcosa intorno a quella CPU abbastanza difficile;

In breve, al di sopra della corrente continua, la frequenza radio diventa un problema. Più vai veloce, più tutto è incline ad agire come una radio gigante. Ciò significa che le tracce di PCB soffrono di diafonia, gli effetti della loro capacità / induttanza intrinseca con tracce adiacenti / piano di massa, rumore, ecc. ecc. ecc.

Più veloce vai, peggio diventa tutto ciò – le gambe dei componenti possono introdurre unacce ptable induttanza per esempio.

Se guardi le linee guida per la disposizione di PCB “base” del tipo di livello di un Raspberry Pi con un po di RAM DDR, tutte le tracce per il bus dati ecc. deve essere della stessa lunghezza, avere una terminazione corretta, ecc. e funziona ben al di sotto di 1 GHz.