Що обмежує швидкість процесора?

102

Нещодавно я говорив з другом про компіляцію LaTeX. LaTeX може використовувати лише одне ядро для компіляції. Отже, для швидкості компіляції LaTeX найбільш важливою є тактова частота процесора (див. Поради щодо вибору обладнання для найкращої продуктивності компіляції LaTeX )

З цікавості я шукав процесори з найвищими тактовими частотами. Я думаю, що саме Intel Xeon X5698 з 4,4 ГГц ( джерело ) мав найвищу тактову частоту.

Але це питання не стосується процесорів, які продаються. Мені хотілося б знати, як швидко це може досягти, якщо вам не байдужа ціна.

Отже, одне питання: чи є фізична межа швидкості процесора? Наскільки вона висока?

А інше питання: Яка найвища швидкість процесора, досягнута поки що?

Я завжди думав, що швидкість процесора була обмежена, оскільки охолодження (так тепло ) стає таким важким. Але мій друг сумнівається, що це причина (коли вам не доведеться використовувати традиційні / дешеві системи охолодження, наприклад, у науковому експерименті).

У [2] я читав, що затримка передачі викликає ще одне обмеження швидкості процесора. Однак вони не згадують, наскільки швидко це може бути досягнуто.

Що я знайшов

[1] Вчені знаходять основний максимальний ліміт швидкості процесора : це, здається, стосується лише квантових комп'ютерів, але це питання стосується "традиційних" процесорів.
[2] Чому існують обмеження на швидкість процесора?

Про мене

Я студент інформатики. Я знаю щось про процесор, але не надто багато. А ще менше про фізику, яка може бути важливою для цього питання. Тому, будь ласка, пам’ятайте про свої відповіді, якщо це можливо.

cpu physics

— Мартін Тома
джерело

10

Ваше запитання приємне, очікуйте дуже хороших і освічених відповідей. Мої два центи: сенс "у нього закінчується лише одне ядро" -> "годинник є найважливішим" не відповідає дійсності.

— Володимир Крейвер

12

Поточним рекордом для розігнаного процесора є AMD Bulldozer, який працює на частоті 8,4 ГГц . Його охолоджували за допомогою рідкого азоту.

— tcrosley

2

Хоча назва питання "Що обмежує швидкість процесора?" слід зазначити, що твердження: "LaTeX може використовувати лише одне ядро для компіляції. Отже, для швидкості компіляції LaTeX найважливіша тактова частота процесора" не обов'язково відповідає дійсності. Кеш процесора також може змінити значення. Завдяки тому, як працюють сучасні процесори, поєднуючись з тим, що існують різні процесори, що мають однакові частоти, але різні розміри кеш (ив), а також те, як написано та використовується програмне забезпечення, кеш процесора може мати більший вплив на швидкість виконання, ніж Частота процесора.

— Shivan Dragon

2

Продуктивність одного потоку прямо не пропорційна тактовій частоті; відносини складніші. Це може бути частково замасковане подібністю останніх мікроархітектур Intel x86 з мікроархітектурними поліпшеннями, що компенсують частину витрат із збільшенням частоти.

— Пол А. Клейтон

9

Я пропоную порівняти процесор 2 ГГц 2004 року з процесором 2 ГГц 2014 року; ви виявите, що вони не в одному і тому ж центрі навіть для однопотокових завдань, і навіть коли обидва реалізують один і той же набір інструкцій - інструкції CISC, якими вони подаються, - це одне, але мікрооперації ці розбиті в - зовсім інше.

— Чарльз Даффі

76

Практично те, що обмежує швидкість процесора - це і тепло, і затримка затвора, але, як правило, тепло стає набагато більшою проблемою, перш ніж останній запускається.

Останні процесори виготовляються за технологією CMOS. Кожен раз, коли відбувається тактовий цикл, потужність розсіюється. Тому більш висока швидкість процесора означає більше відведення тепла.

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

Ось деякі цифри:

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

введіть тут опис зображення

Ви дійсно можете бачити, як зростає (експоненціально!) Потужність переходу процесора.

Також є деякі квантові ефекти, які виникають у міру зменшення розміру транзисторів. На нанометрових рівнях транзисторні ворота фактично стають "герметичними".

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

Я не буду вникати, як ця технологія працює тут, але я впевнений, що ви можете використовувати Google для пошуку цих тем.

Гаразд, за затримки передачі.

Кожен «дріт» всередині процесора виступає як невеликий конденсатор. Також основа транзистора або затвор MOSFET виконують роль малих конденсаторів. Щоб змінити напругу на з'єднанні, потрібно або зарядити провід, або зняти заряд. У міру зменшення транзисторів це стає складніше. Ось чому SRAM потребує транзисторів посилення, оскільки насправді транзистори масиву пам'яті такі малі та слабкі.

У типових конструкціях ІС, де щільність дуже важлива, бітові клітини мають дуже малі транзистори. Крім того, вони, як правило, вбудовуються у великі масиви, які мають дуже великі ємнісні бітові лінії. Це призводить до дуже повільного (відносно) розряду бітової лінії бітовою коміркою.

Від: Як реалізувати підсилювач чуття SRAM?

По суті, справа в тому, що малим транзисторам важче доводиться керувати з'єднувачами.

Також є затримки воріт. Сучасні процесори мають більше десяти стадій конвеєра, можливо, до двадцяти.

Проблеми продуктивності в трубопроводі

Також є індуктивні ефекти. На мікрохвильових частотах вони стають досить значущими. Ви можете шукати перехресні розмови та подібні речі.

Тепер, навіть якщо вам вдасться змусити 3265810 ТГ-процесор працювати, ще одним практичним обмеженням є те, наскільки швидко решта системи може його підтримувати. Ви або повинні мати оперативну пам’ять, сховище, логіку клею та інші взаємозв’язки, які виконують так само швидко, або вам потрібен величезний кеш.

Сподіваюся, це допомагає.

— нечітке волосся2
джерело

1

Ви можете включити посилання на цю дискусію для приємних посилань про співвідношення швидкості та споживання електроенергії: physics.stackexchange.com/questions/34766/…

— Emiswelt

2

Існує також швидкість електроенергії, яку слід враховувати, коли йдеться про затримки передачі en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

— ryantm

Це насправді зростає експоненціально, або просто квадратично? Насправді це відео говорить про це Power = Frequency ^ 1.74.

— Пол Манта

2

Хороший момент, одна з головних труднощів в дизайні процесора - це з'єднання. Фізично великий чіп може бути можливим, але пам’ятайте, що вони функціонують в діапазоні гігагерців. Ви хочете, щоб дроти були короткими.

— fuzzyhair2

2

Оскільки питання є теоретичним, можна додати, що інші напівпровідники, такі як арсенід галію, допускають більш високі частоти.

— Iacopo

32

Випуск тепла добре покритий нечітким волоссям. Підсумовуючи затримки передачі, врахуйте це: Час, необхідний для переходу електричного сигналу на материнську плату, тепер становить більше ніж один тактовий цикл сучасного процесора. Таким чином, створення швидших процесорів не дасть багато чого.

Надшвидкий процесор дійсно корисний лише в масових процесах розбивання чисел, і то лише тоді, коли ваш код ретельно оптимізований для його роботи на чіпі. Якщо часто доводиться їхати в іншому місці за даними, витрачається вся додаткова швидкість. У сучасних системах більшість завдань можна виконувати паралельно, і великі проблеми розділяються на декілька ядер.

Здається, ваш процес компіляції латексу буде покращено:

швидший IO. Спробуйте RAMdisk.
запуск різних документів на різних ядрах
не очікуючи, що 200-сторінкове зображення, що займає зображення, буде виконане за 2 секунди

— paul
джерело

2

Шкода, що мені дозволено лише одне звернення. Ваша відповідь заслуговує більше на те, що вказується на те, що тактова частота не може бути вузьким місцем у проблемі ОП.

— Соломон повільно

17

Існує три фізичні межі: тепло, затримка воріт та швидкість електричної передачі.

Світовий рекорд на найвищій тактовій частоті досі становить (за цим посиланням) 8722,78 МГц

Швидкість електричної передачі (приблизно така сама, як швидкість світла) є абсолютною фізичною межею, оскільки жодна інформація не може передаватися швидше, ніж середня. У той же час ця межа дуже висока, тому зазвичай це не є обмежуючим фактором.

Процесори складаються з величезної кількості воріт, з яких досить багато підключених послідовно (один за одним). Перехід від високого стану (наприклад, 1) до низького (наприклад, 0) або навпаки потребує певного часу. Це затримка воріт. Отже, якщо у вас 100 послідовно підключених воріт і для переключення потрібна 1 нс, вам доведеться чекати щонайменше 100 нс для всієї справи, щоб отримати дійсний вихід.

Ці комутатори - це найважливіша потужність процесора. Це означає, що при збільшенні тактової частоти ви отримуєте більше комутаторів, таким чином використовуйте більше енергії, таким чином збільшуйте тепловіддачу.

Перенапруження (=> забезпечення більшої потужності) трохи зменшує затримку затвора, але знову збільшує тепловіддачу.

Десь близько 3 ГГц використання енергії для тактової швидкості надзвичайно збільшується. Ось чому процесори 1,5 ГГц можуть працювати на смартфоні, тоді як більшість процесорів 3-4 ГГц навіть не можуть працювати на ноутбуці.

Але тактова швидкість - не єдине, що може прискорити процесор, також оптимізація на конвеєрі або архітектура мікрокоду можуть спричинити значне прискорення. Ось чому 3-ГГц Intel i5 (Dualcore) в кілька разів швидший, ніж 3-ГГц Intel Pentium D (Dualcore).

— Дакарон
джерело

1

Просто розгін дозволяє лінійно використовувати енергію процесора. Отже, подвоєння тактової частоти означає подвійне використання енергії. Але при більшій тактовій швидкості ворота надто повільно працюють з цією тактовою частотою, і ви починаєте отримувати помилки обчислення -> випадкові збої. Тож вам потрібно збільшити напругу, щоб пришвидшити ворота. Ваги використання електроенергії прямо в порівнянні з напругою. Отже, подвійна напруга означає використання енергії в чотири рази. Додайте це, щоб подвоїти годинник, і ви отримаєте вісім разів використання енергії. Також необхідна напруга зростає експоненціально з тактовою частотою. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation

— Даккарон

1

Інша проблема тут полягає в тому, що перенапруження може просто обсмажити ваш процесор, і нічого не можна зробити проти цього. Якщо ваш процесор вказаний, наприклад, 3,3 В, можливо, ви зможете піднятися до 3,7 або, можливо, навіть 4 В, але якщо ви перейдете до високої, це просто знищить мікросхему. Ще одне посилання, що варто прочитати: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage

— Даккарон

3

Швидкість передачі - це проблема: при 3 ГГц ви отримуєте лише 10 см / цикл. Оскільки типовий штамповий процесор на даний момент має 300 м², я вважаю, що після 10 ГГц доведеться переосмислити дизайн процесора, оскільки, ймовірно, не всі частини мікросхеми можуть бути досягнуті за один цикл.

— Мартін Шредер

1

@ MartinSchröder: Це не є великою проблемою, оскільки (a) процесор гине через тепло і затримку затвора до досягнення 10 ГГц і (b) процесори стають меншими з кожним поколінням. Наприклад, 6-ядерний i7 з гіперрезінуванням має приблизно такий же розмір, як і одиночний Pentium 4. Але i7 має 6 повних ядер та ще 6 «пів-ядер» для гіперточення. Також є кеш. Також ці сердечники розбиваються на фази трубопроводу. За один цикл потрібно досягти лише частин центрального процесора в одній основній та одній фазі конвеєра (а може бути і кеш-пам'ять L1).

— Даккарон

1

@ com. Це аж ніяк не комп'ютерний процесор.

— Даккарон

5

r = 5.291 \times 10^{- 11}

$r = 5.291\times 10^{-11}$

c = 3 \times 10^{8},

$c = 3 \times 10^8,$

F = \frac{1}{t} = \frac{c}{2} π r = 9.03 \times 10^{17} Hz

$F = \frac{1}{t} = \frac{c}{2} \pi r = 9.03\times 10^{17}\text{Hz}$

8 \times 10^{9} Hz

$8\times 10^9\text{Hz}$

— Чайка
джерело

Я зробив кілька змін у вашому LaTeX. Не могли б Ви перевірити, чи правильне редагування частоти?

— Мартін Тома

Як ви придумали сучасний ліміт технологій?

— Мартін Тома

Ви пишете, що межа струму "8x 10 ^ 9 Гц". Що таке х? Ви зрештою хотіли написати крапку множення?

— Мартін Тома

1

Ви також створили цей найшвидший комп’ютер на радіусі Шварцшильда чорної діри для максимального ефекту. Радіус Бора - це великий спосіб роботи з високими швидкостями. :)

— Госвін фон Бредерлоу

3

Отже, одне питання: чи є фізична межа швидкості процесора?

Це дуже залежить від самого процесора. Допущення при виробництві призводять до того, що фізична межа трохи відрізняється для кожного чіпа, навіть від однієї пластини.

Затримка передачі викликає ще одне обмеження швидкості процесора. Однак вони не згадують, наскільки швидко це може бути досягнуто.

Це тому, що transmission delayабо speed path lengthце вибір для дизайнера мікросхеми. Коротше кажучи, стільки роботи робить логіка за один тактовий цикл . Більш складна логіка призводить до уповільнення максимальних тактових частот, але також використовує менше енергії.

Ось чому ви хочете використовувати орієнтир для порівняння процесорів. Число робіт за цикл сильно відрізняється, тому порівняння сировинних МГц може дати вам неправильне уявлення.

— Turbo J
джерело

2

Практично це визначена теплова потужність, яка приблизно пропорційна квадрату напруги: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Кожен матеріал має свою конкретну теплоємність, що обмежує ефективність охолодження.
Не враховуючи технічних проблем із затримкою охолодження та передачі, ви знайдете швидкість світла, що обмежує відстань, який сигнал може пройти в межах нашого процесора в секунду. Тому процесор повинен отримати самлер, чим швидше він працює. Нарешті, він працює за певною частотою, процесор може стати прозорим для електронних хвильових функцій (електрони, змодельовані як хвильові функції за рівнянням Шредінгера).
У 2007 році деякі фізики вирахували основний ліміт швидкості роботи:http://journals.aps.org/prl/ab Abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

— Ларс Хадіді
джерело

0

Як і всі інші відповіді, є також кілька інших міркувань, які можуть не впливати на швидкість процесора безпосередньо, але ускладнюють побудову нічого навколо цього процесора;

Коротше кажучи, вище постійного струму радіочастота стає проблемою. Чим швидше ви їдете, тим більш схильне все діяти як гігантське радіо. Це означає, що сліди друкованої плати зазнають перехресних переслідувань, наслідків властивої їм ємності / індуктивності з сусідніми доріжками / площиною заземлення, шумом і т. Д. Тощо.

Чим швидше ви йдете, тим гірше все це стає - ніжки компонентів можуть вводити, наприклад, неприйнятну індуктивність.

Якщо ви подивитесь на вказівки щодо викладки "базових" друкованих плат подібного рівня Raspberry Pi з деякою DDR-оперативною пам'яттю, всі сліди для шини даних тощо повинні бути однакової довжини, мати правильне завершення тощо. працює набагато нижче 1 ГГц.

— Джон У
джерело