O que limita a velocidade da CPU?

Praticamente, o que limita a velocidade da CPU é tanto o calor gerado quanto os atrasos do gate, mas normalmente, o calor se torna um problema muito maior antes que o último comece .

Processadores recentes são fabricados com tecnologia CMOS. Cada vez que há um ciclo de clock, a energia é dissipada. Portanto, velocidades mais altas do processador significam mais dissipação de calor.

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

Aqui estão alguns números:

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 

Você pode realmente ver como a potência de transição da CPU aumenta (exponencialmente!).

Além disso, existem alguns efeitos quânticos que surgem à medida que o tamanho dos transistores diminui. Em níveis de nanômetro, as portas do transistor realmente se tornam ” vazadas “.

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

Não vou entrar em como essa tecnologia funciona aqui, mas tenho certeza de que você pode usar o Google para pesquisar esses tópicos.

Ok, agora, para os atrasos de transmissão.

Cada ” fio ” dentro da CPU atua como um pequeno capacitor. Além disso, a base do transistor ou a porta do MOSFET atuam como pequenos capacitores. Para alterar a tensão em uma conexão, você deve carregar o fio ou remover a carga. Conforme os transistores encolhem, fica mais difícil fazer isso. É por isso que a SRAM precisa de transistores de amplificação, porque os transistores da matriz de memória na verdade são tão pequenos e fracos.

Em projetos de IC típicos, onde a densidade é muito importante, as células de bits têm transistores muito pequenos. Além disso, eles são normalmente integrados a grandes matrizes, que possuem capacitâncias de linha de bits muito grandes. Isso resulta em uma descarga muito lenta (relativamente) da linha de bits pela célula de bits.

De: Como implementar o amplificador de sentido SRAM?

Basicamente, o ponto é que é mais difícil para pequenos transistores conduzirem as interconexões.

Além disso, existem atrasos no portão. CPUs modernas têm mais de dez estágios de pipeline, talvez até vinte.

Problemas de desempenho no pipelining

Existem também efeitos indutivos. Em frequências de microondas, eles se tornam bastante significativos. Você pode pesquisar crosstalk e esse tipo de coisa.

Agora, mesmo que você consiga fazer um processador 3265810 THz funcionar, outro limite prático é a rapidez com que o resto do sistema pode suportá-lo. Você deve ter RAM, armazenamento, lógica de colagem e outras interconexões que executam da mesma forma rápida ou precisa de um cache imenso.

Comentários

• Você pode querer incluir um link para esta discussão para boas referências sobre como a velocidade do clock e o consumo de energia se relacionam: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Há ‘ s também a velocidade da eletricidade a ser considerada ao falar sobre atrasos de transmissão en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Ele realmente aumenta exponencialmente ou apenas quadraticamente? Na verdade, este vídeo diz que Power = Frequency ^ 1.74.
• Bom ponto, no entanto, um dos as maiores dificuldades no projeto da CPU são as interconexões. Um chip fisicamente grande pode ser possível, mas lembre-se de que eles estão funcionando na faixa de gigahertz. Você quer manter os fios curtos.
• Como a questão é teórica, pode-se acrescentar que outros semicondutores, como o arseneto de gálio, permitem frequências mais altas.

O problema do calor é bem abordado por fuzzyhair . Para resumir os atrasos de transmissão, considere o seguinte: O tempo necessário para um sinal elétrico cruzar a placa-mãe agora é mais de um ciclo de clock de uma CPU moderna. Portanto, criar CPUs mais rápidas não vai realizar muito.

Um processador super-rápido só é realmente benéfico em processos massivos de processamento de números, e somente se seu código for cuidadosamente otimizado para fazer seu trabalho. chip. Se ele freqüentemente precisa ir para outro lugar para obter dados, toda a velocidade extra é perdida. Nos sistemas de hoje, a maioria das tarefas pode ser executada em paralelo e grandes problemas são divididos em vários núcleos.

Parece como se o seu processo de compilação do latex fosse melhorado por:

• IO mais rápido. Tente um RAMdisk.
• Executando documentos diferentes em núcleos diferentes
• Não esperar que um trabalho com muitas imagens de 200 páginas seja feito em 2 segundos

Comentários

• Que pena que só tenho permissão para um voto positivo. Sua resposta merece mais por apontar que a taxa de clock pode não ser o gargalo no problema do OP ‘ s.

Existem três limites físicos: Calor, atraso no portão e a velocidade da transmissão elétrica.

O recorde mundial na maior velocidade de clock até agora é (de acordo com este link) 8722,78 MHz

A velocidade da transmissão elétrica (quase a mesma que a velocidade da luz) é o físico absoluto limite, uma vez que nenhum dado pode ser transmitido mais rápido do que seu meio. Ao mesmo tempo, este limite é muito alto, então geralmente não é um fator limitante.

As CPUs consistem em uma grande quantidade de portas, das quais algumas são conectadas serialmente (uma após a outra). Uma mudança de estado alto (por exemplo, 1) para estado baixo (por exemplo, 0) ou vice-versa leva algum tempo. Este é o atraso do portão. Então, se você tiver 100 portas conectadas serialmente e uma leva 1 ns para alternar, você terá que esperar pelo menos 100 ns para que tudo dê a você uma saída válida.

Essas chaves são o que consome mais energia em uma CPU. Isso significa que se você aumentar a velocidade do clock, obterá mais interruptores, portanto, usará mais energia e aumentará a produção de calor.

Sobrevoltar (= > fornecendo mais energia) diminui um pouco o atraso do gate, mas novamente aumenta a produção de calor.

Em torno de 3 GHz o uso de energia para a velocidade do clock aumenta extremamente. É por isso que CPUs de 1,5 GHz podem ser executadas em um smartphone, enquanto a maioria das CPUs de 3-4 GHz nem mesmo pode ser executada em um laptop.

Mas a velocidade do clock não é a única coisa que pode acelerar um CPU e também otimizações no pipeline ou na arquitetura do microcódigo podem causar uma aceleração significativa. É por isso que um Intel i5 de 3 GHz (Dualcore) é várias vezes mais rápido que um Intel Pentium D de 3 GHz (Dualcore).

Comentários

• Apenas overclocking aumenta o uso de energia da CPU linearmente. Portanto, o dobro da velocidade do clock significa o dobro do uso de energia. Mas em velocidades de clock mais altas, os portões ficam muito lentos para trabalhar com essa velocidade de clock e você começa a obter erros de cálculo – > travamentos aleatórios. Portanto, você precisa aumentar a tensão para acelerar as portas. O uso de energia é escalonado em comparação com a voltagem. Portanto, o dobro da tensão significa quatro vezes o uso de energia. Adicione isso para dobrar o relógio e você terá oito vezes o uso de energia. Além disso, a tensão necessária aumenta exponencialmente com a velocidade do clock. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• O outro problema aqui é que overvolting pode apenas fritar sua CPU e não há nada que possa ser feito contra isso. Se sua CPU for especificada para, por exemplo, 3.3V você pode ser capaz de ir até 3.7 ou talvez até 4V, mas se você for muito alto isso destruirá o chip. Outro link que vale a pena ler: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• A velocidade de transmissão é um problema: em 3Ghz você obtém apenas 10cm / ciclo. Como um dado de processador típico tem atualmente 300m ², acredito que após 10 Ghz seria necessário repensar o design do processador, pois provavelmente nem todas as partes do chip podem ser alcançadas em um ciclo.
• @MartinSchr ö der: Isso não é um grande problema, pois (a) a CPU morre devido ao calor e ao atraso de porta antes que os 10 GHz sejam atingidos e (b) os processadores tornam-se menores a cada geração. Por exemplo, um i7 de 6 núcleos com hyperthreading tem aproximadamente o mesmo tamanho que um Pentium 4 de single-core. Mas o i7 tem 6 núcleos completos e mais 6 ” meio-núcleos ” para o hyperthreading. Também existe o cache. Além disso, esses núcleos são divididos em fases de pipeline. Apenas as partes da CPU em um núcleo e uma fase do pipeline (e talvez o L1-cache) precisam ser alcançadas em um ciclo.
• @ com.prehensible A postagem que você vinculou realmente fala especificamente sobre o fato , que este transistor de 500 GHz é ” apenas ” um transistor analógico usado para processamento de RF analógico. Não é, de forma alguma, um processador de computador.

As respostas às suas perguntas são: Sim , há um físico limite à velocidade da CPU. O limite teórico mais alto será definido pela rapidez com que uma “chave” pode mudar de estado. Se usarmos o elétron como base da troca, usaremos o raio de Bohr $$ r = 5,291 \ vezes 10 ^ {- 11} $$ e a velocidade mais rápida possível $$ c = 3 \ vezes 10 ^ 8, $$ para calcular a frequência $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9,03 \ vezes 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ No atual estado da tecnologia, o limite real é de cerca de $$ 8 \ vezes 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Comentários

• Fiz algumas edições em seu LaTeX. Você poderia verificar se a edição para frequência estava correta?
• Como você chegou ao estado atual do limite de tecnologia?
• Você também construiria o computador mais rápido possível no Schwarzschild raio de um buraco negro para efeito máximo. O raio de Bohr é muito grande para trabalhar em altas velocidades. 🙂

Portanto, uma pergunta é: Existe um limite físico para a velocidade da CPU?

Isso depende muito da própria CPU. As tolerâncias de fabricação resultam no fato de que o limite físico é um pouco diferente para cada chip, até mesmo do mesmo wafer.

atrasos na transmissão causam outra limitação na velocidade da CPU. No entanto, eles não mencionam o quão rápido ele pode ficar.

Isso é porque transmission delay ou speed path length é uma escolha para o designer do chip fazer. Em suma, é quanto trabalho a lógica faz em um único ciclo de clock . Lógica mais complexa resulta em freqüências máximas mais lentas, mas também consome menos energia.

É por isso que você deseja usar um benchmark para comparar CPUs. Os números de trabalho por ciclo são muito diferentes, portanto, comparar MHz brutos pode lhe dar uma ideia errada.

Na prática, é definitivamente a energia térmica, que é aproximadamente proporcional ao quadrado da tensão: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Cada material tem sua capacidade de calor específica que limita a eficiência de resfriamento.

Sem considerar as questões técnicas sobre resfriamento e atraso de transmissão, você verá que a velocidade da luz limita a distância que um sinal pode viajar dentro de nossa CPU por segundo . Portanto, a CPU deve ficar menor quanto mais rápido operar.

Finalmente, além de uma certa frequência, a CPU pode se tornar transparente para as funções de onda eletrônica (elétrons modelados como funções de onda seguindo a equação de Schrödinger).

Em 2007, alguns físicos calcularam um limite fundamental para as velocidades operacionais: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Assim como todas as outras respostas, também existem algumas outras considerações que podem não afetar a velocidade da CPU diretamente, mas tornam a construção de qualquer coisa em torno disso CPU bastante difícil;

Resumindo, acima de DC, a frequência de rádio se torna um problema. Quanto mais rápido você for, mais inclinado tudo estará a atuar como um rádio gigante. Isso significa que os traços de PCB sofrem diafonia, os efeitos de sua capacitância / indutância inerente com trilhas adjacentes / plano de solo, ruído, etc. etc. etc.

Quanto mais rápido você for, pior tudo isso ficará – pernas de componentes podem apresentar unacce indutância ptable, por exemplo.

Se você olhar as diretrizes para o layout “básico” de PCBs do tipo de nível de um Raspberry Pi com um pouco de RAM DDR, todos os traços do barramento de dados etc. deve ter o mesmo comprimento, ter terminação correta etc. e estar funcionando bem abaixo de 1 GHz.