Ce limitează viteza procesorului?

Practic, ceea ce limitează viteza procesorului este atât căldura generată, cât și întârzierile porții, dar de obicei, căldura devine o problemă mult mai mare înainte ca aceasta din urmă să intre .

Procesoarele recente sunt fabricate folosind tehnologia CMOS. De fiecare dată când există un ciclu de ceas, puterea este disipată. Prin urmare, viteze mai mari ale procesorului înseamnă o mai mare disipare a căldurii.

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

Iată câteva 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 

Dvs. pot vedea cu adevărat cum crește puterea de tranziție a procesorului (exponențial!).

De asemenea, există unele efecte cuantice care se declanșează pe măsură ce dimensiunea tranzistoarelor se micșorează. La niveluri nanometrice, porțile tranzistorului devin de fapt ” scurgeri „.

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

Nu voi intra în modul în care funcționează această tehnologie aici, dar sunt sigur că puteți folosi Google pentru a căuta aceste subiecte.

Bine, acum, pentru întârzierile de transmisie.

Fiecare ” fir ” din CPU acționează ca un condensator mic. De asemenea, baza tranzistorului sau poarta MOSFET acționează ca condensatori mici. Pentru a modifica tensiunea la o conexiune, trebuie fie să încărcați firul, fie să eliminați încărcătura. Pe măsură ce tranzistoarele se micșorează, devine mai dificil să faci asta. Acesta este motivul pentru care SRAM are nevoie de tranzistoare de amplificare, deoarece tranzistoarele matricei de memorie sunt atât de mici și slabe.

În proiectele tipice de IC, unde densitatea este foarte importantă, celulele bit au tranzistori foarte mici. În plus, acestea sunt de obicei încorporate în tablouri mari, care au capacități de linie de biți foarte mari. Aceasta are ca rezultat o descărcare foarte lentă (relativ) a liniei de biți de către celula de biți.

De la: Cum se implementează amplificatorul de sens SRAM?

Practic, ideea este că este mai greu pentru tranzistoarele mici să conducă interconectările.

De asemenea, există întârzieri de poartă. Procesoarele moderne au mai mult de zece etape de conducte, poate până la douăzeci.

Probleme de performanță în conducte

Există de asemenea efecte inductive. La frecvențele cu microunde, acestea devin destul de semnificative. Puteți căuta diagrame și astfel de lucruri.

Acum, chiar dacă reușiți să faceți să funcționeze un procesor THz 3265810, o altă limită practică este cât de repede îl poate suporta restul sistemului. Ori trebuie să aveți RAM, stocare, logică de lipire și alte interconectări care funcționează la fel de repede sau aveți nevoie de o memorie cache imensă.

Comentarii

• Poate doriți să includeți un link către această discuție pentru referințe frumoase despre relația dintre viteza ceasului și consumul de energie: physics.stackexchange.com/questions/34766/…
• Există ‘ și viteza electricității de luat în considerare atunci când vorbim despre întârzieri de transmisie en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
• Crește de fapt exponențial, sau doar patru? De fapt, acest videoclip spune că Power = Frequency ^ 1.74.
• Bine, totuși, unul dintre dificultățile majore în proiectarea procesorului sunt interconectările. Este posibil să fie posibil un cip fizic mare, dar nu uitați că acestea funcționează în intervalul de gigaherți. Doriți să mențineți firele scurte.
• Deoarece întrebarea este teoretică, se poate adăuga că alți semiconductori, cum ar fi arsenidul de galiu, permit frecvențe mai mari.

Problema căldurii este bine acoperită de fuzzyhair . Pentru a rezuma întârzierile de transmisie, luați în considerare acest lucru: timpul necesar unui semnal electric pentru a traversa placa de bază este acum mai mult de un ciclu de ceas al unui procesor modern. Așadar, a face CPU mai rapide nu va realiza prea multe.

Un procesor super-rapid este benefic numai în procesele masive de reducere a numărului și apoi numai dacă codul dvs. este optimizat cu atenție pentru a-și face treaba pe- chip. Dacă trebuie să meargă frecvent în altă parte pentru date, se pierde toată viteza suplimentară. În sistemele de astăzi, majoritatea sarcinilor pot fi executate în paralel, iar problemele mari sunt împărțite pe mai multe nuclee.

Sună la fel ca procesul dvs. de compilare latex ar fi îmbunătățit prin:

• IO mai rapid. Încercați un disc RAM.
• Rulați diferite documente pe diferite nuclee
• Nu vă așteptați la o lucrare intensivă de 200 de pagini 2 secunde

Comentarii

• Păcat că am permis doar un vot pozitiv. Răspunsul dvs. merită mai mult pentru a sublinia că rata de ceas poate să nu fie blocajul problemei OP ‘.

Există trei limite fizice: căldura, întârzierea porții și viteza transmisiei electrice.

Recordul mondial la cea mai mare viteză de ceas de până acum este (conform acest link) 8722,78 MHz

Viteza transmisiei electrice (aproximativ aceeași cu viteza luminii) este fizica absolută limită, deoarece nu pot fi transmise date mai repede decât suportul său. În același timp, această limită este foarte mare, deci nu este de obicei un factor limitativ.

CPU-urile constau din cantități uriașe de porți, dintre care destul de multe sunt conectate în serie (unul după altul). O trecere de la stare înaltă (de ex. 1) la stare joasă (de exemplu, 0) sau invers durează ceva timp. Aceasta este întârzierea porții. Deci, dacă aveți 100 de porți conectate în serie și una durează 1 ns pentru a comuta, va trebui să așteptați cel puțin 100 ns pentru ca întregul lucru să vă ofere o ieșire validă.

Aceste comutatoare sunt lucrurile pe care preia cea mai mare putere pe un procesor. Aceasta înseamnă că, dacă măriți viteza ceasului, veți obține mai multe comutatoare, astfel folosiți mai multă putere, crescând astfel puterea de căldură.

Overvolting (= > furnizând mai multă putere) scade puțin întârzierea porții, dar crește din nou puterea de căldură.

Undeva la 3 GHz consumul de energie la viteza de ceas crește extrem de mult. Acesta este motivul pentru care CPU-urile de 1,5 GHz pot rula pe un telefon inteligent, în timp ce majoritatea procesoarelor de 3-4 GHz nu pot fi rulate chiar și pe un laptop.

Dar Viteza de ceas nu este singurul lucru care poate accelera un CPU, de asemenea, optimizările la conductă sau arhitectura microcodului pot provoca o accelerare semnificativă. Acesta este motivul pentru care un Intel i5 (Dualcore) de 3 GHz este de mai multe ori mai rapid decât un Intel Pentium D (Dualcore) de 3 GHz.

Comentarii

• Doar overclockarea mărește utilizarea puterii CPU în mod liniar. Deci, viteza de ceas dublă înseamnă consumul de energie dublu. Dar, la viteze mai mari de ceas, porțile devin prea lente pentru a funcționa cu acea viteză de ceas și începeți să primiți erori de calcul – > blocări aleatorii. Deci, trebuie să măriți tensiunea pentru a accelera porțile. Consumul de energie este redus comparativ cu tensiunea. Deci, dubla tensiune înseamnă de patru ori consumul de energie. Adăugați asta pentru a dubla ceasul și veți obține de opt ori consumul de energie. De asemenea, tensiunea necesară crește exponențial cu viteza ceasului. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
• Cealaltă problemă aici este că supratensiunea vă poate prăji procesorul și nu există nimic care să să se facă împotriva acestui lucru. Dacă CPU este specificat pentru de ex. 3,3V s-ar putea să puteți urca la 3,7 sau poate chiar 4V, dar dacă mergeți la mare, va distruge doar cipul. Un alt link care merită citit: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
• Viteza de transmisie este o problemă: la 3Ghz primești doar 10cm / ciclu. Deoarece un procesor tipic are în prezent 300m ², cred că după 10 Ghz ar trebui să regândim designul procesorului, deoarece probabil că nu toate părțile cipului pot fi atinse într-un singur ciclu.
• @MartinSchr ö der: Aceasta nu este o mare problemă, deoarece (a) CPU moare din cauza căldurii și a întârzierii porții înainte de atingerea celor 10 GHz și (b) procesoarele devin mai mici cu fiecare generație. De exemplu, un i7 cu 6 nuclee cu hiperthreading are aproximativ aceeași dimensiune ca un singur Pentium 4. Dar i7 are 6 nuclee complete și încă 6 ” jumătăți ” pentru hiperthreading. Există, de asemenea, memoria cache. De asemenea, aceste nuclee sunt împărțite în faze de conducte. Doar părțile procesorului dintr-un singur nucleu și o fază de conductă (și poate cache-ul L1) trebuie atinse într-un singur ciclu.
• @ com.prehensible Postarea pe care ați conectat-o vorbește în mod specific despre faptul că , că acest tranzistor de 500 GHz este ” numai ” un tranzistor analog utilizat pentru procesarea RF analogică. Nu este în niciun caz un procesor de computer.

Răspunsurile la întrebările dvs. sunt: Da , există un fizic limită la viteza procesorului. Cea mai mare limită teoretică va fi stabilită de viteza cu care un „comutator” poate schimba stările. Dacă folosim electronul ca bază a comutatorului, vom folosi raza Bohr $$ r = 5.291 \ times 10 ^ {- 11} $$ și cea mai mare viteză posibilă $$ c = 3 \ times 10 ^ 8, $$ pentru a calcula frecvența $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9.03 \ times 10 ^ {17} \ text {Hz} $$ La starea actuală a tehnologiei , limita reală este de aproximativ $ $ 8 \ ori 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

Comentarii

• Am făcut câteva modificări la LaTeX. Puteți verifica dacă modificarea la frecvență a fost corectă?
• Cum ați ajuns la starea actuală a limitei tehnologice?
• De asemenea, ați construi acel computer cel mai rapid posibil pe Schwarzschild raza unei găuri negre pentru un efect maxim. Raza Bohr este foarte mare pentru a lucra la viteze mari. 🙂

Deci, o întrebare este: Există o limită fizică a vitezei procesorului?

Acest lucru depinde în mare măsură de CPU în sine. Toleranțele de fabricație au ca rezultat faptul că limita fizică este puțin diferită pentru fiecare cip, chiar și de la aceeași placă.

întârzierile de transmisie determină o altă limitare a vitezei procesorului. Cu toate acestea, nu menționează cât de repede se poate obține.

Asta pentru că transmission delay sau speed path length este o alegere pentru proiectantul cipului. Pe scurt, este cât de multă muncă face logica într-un singur ciclu de ceas . Logica mai complexă are ca rezultat rate de ceas maxime mai lente, dar consumă și mai puțină energie.

Acesta este motivul pentru care doriți să utilizați un parametru de referință pentru a compara procesoarele. Numărul de lucru pe ciclu este foarte diferit, astfel încât compararea MHz brută vă poate oferi o idee greșită.

Practic, este cu siguranță puterea termică, care este aproximativ proporțională cu pătratul tensiunii: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview . Fiecare material are capacitatea sa de căldură specifică, care limitează eficiența de răcire.

Fără a lua în considerare problemele tehnice legate de întârzierea răcirii și transmiterii, veți găsi viteza luminii care limitează distanța pe care un semnal o poate parcurge în CPU pe secundă. . Prin urmare, CPU-ul trebuie să se micșoreze cu cât funcționează mai repede.

În cele din urmă, dincolo de o anumită frecvență, CPU poate deveni transparent pentru funcțiile de undă electronice (electronii modelați ca funcții de undă urmând ecuația lui Schrödinger).

În 2007, unii fizicieni au calculat o limită fundamentală pentru viteza de funcționare: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Pe lângă toate celelalte răspunsuri, există și alte câteva considerații care pot să nu afecteze direct viteza procesorului, dar fac să construiască ceva în jurul acestuia CPU destul de dificil;

Pe scurt, peste DC, frecvența radio devine o problemă. Cu cât mergeți mai repede, cu atât totul este mai înclinat să acționeze ca un radio gigant. Aceasta înseamnă că urmele PCB suferă de diafragme, efectele a capacității / inductanței lor inerente cu pistele adiacente / planul de sol, zgomotul etc. etc. etc.

Cu cât mergeți mai repede, cu atât toate acestea devin mai rele – picioarele componente pot introduce neacceptat inductivitate calculabilă, de exemplu.

Dacă te uiți la liniile directoare pentru stabilirea PCB-urilor „de bază” de tipul nivelului unui Raspberry Pi cu o memorie RAM DDR, toate urmele pentru magistrala de date etc. trebuie să aibă o lungime egală, să aibă terminare corectă etc. și să funcționeze cu mult sub 1 GHz.