Was begrenzt die CPU-Geschwindigkeit?

Ich habe kürzlich mit einem Freund über die LaTeX-Kompilierung gesprochen. LaTeX kann nur einen Core zum Kompilieren verwenden. Für die Geschwindigkeit der LaTeX-Kompilierung ist daher die Taktrate der CPU am wichtigsten (siehe Tipps zur Auswahl der Hardware für die beste LaTeX-Kompilierungsleistung ).

Aus Neugier habe ich nach CPUs mit den höchsten Taktraten gesucht. Ich denke, es war Intel Xeon X5698 mit 4,4 GHz ( Quelle ), die die höchste Taktrate hatte.

Bei dieser Frage geht es jedoch nicht um CPUs, die verkauft werden. Ich würde gerne wissen, wie schnell es gehen kann, wenn Sie sich nicht für den Preis interessieren.

Eine Frage ist also: Gibt es eine physikalische Grenze für die CPU-Geschwindigkeit? Wie hoch ist es?

Und die andere Frage ist: Was ist die höchste CPU-Geschwindigkeit, die bisher erreicht wurde?

Ich habe immer gedacht, dass die CPU-Geschwindigkeit begrenzt ist, weil die Kühlung (also die Wärme ) so schwierig wird. Aber mein Freund bezweifelt, dass dies der Grund ist (wenn Sie keine herkömmlichen / billigen Kühlsysteme verwenden müssen, z. B. in einem wissenschaftlichen Experiment).

In [2] habe ich gelesen, dass Übertragungsverzögerungen eine weitere Einschränkung der CPU-Geschwindigkeit verursachen. Sie erwähnen jedoch nicht, wie schnell es werden kann.

Was ich gefunden habe

• [1] Wissenschaftler finden fundamentale Höchstgrenze für Prozessorgeschwindigkeiten : Scheint sich nur um Quantencomputer zu handeln, bei dieser Frage geht es jedoch um "traditionelle" CPUs.
• [2] Warum ist die CPU-Geschwindigkeit begrenzt?

Über mich

Ich bin Informatikstudent. Ich weiß etwas über die CPU, aber nicht zu viel. Und noch weniger über die Physik, die für diese Frage wichtig sein könnte. Denken Sie also bitte bei Ihren Antworten daran, falls dies möglich ist.

Was die CPU-Geschwindigkeit praktisch einschränkt, ist sowohl die erzeugte Wärme als auch die Verzögerung des Gates. In der Regel wird die Wärme jedoch ein weitaus größeres Problem, bevor letztere einsetzt.

Neuere Prozessoren werden mit CMOS-Technologie hergestellt. Jedes Mal, wenn es einen Taktzyklus gibt, wird die Leistung abgeführt. Höhere Prozessorgeschwindigkeiten bedeuten daher eine höhere Wärmeableitung.

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

Hier einige Zahlen:

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

Sie können wirklich sehen, wie sich die CPU-Übergangsleistung erhöht (exponentiell!).

Außerdem treten einige Quanteneffekte auf, wenn die Größe der Transistoren abnimmt. Im Nanometerbereich werden Transistor-Gates tatsächlich "undicht".

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

Ich werde hier nicht näher darauf eingehen, wie diese Technologie funktioniert, aber ich bin sicher, dass Sie Google zum Nachschlagen dieser Themen verwenden können.

Okay, jetzt für die Übertragungsverzögerungen.

Jeder "Draht" in der CPU fungiert als kleiner Kondensator. Auch die Basis des Transistors oder das Gate des MOSFET wirken als kleine Kondensatoren. Um die Spannung an einer Verbindung zu ändern, müssen Sie entweder die Leitung aufladen oder die Ladung entfernen. Wenn Transistoren schrumpfen, wird es schwieriger, dies zu tun. Dies ist der Grund, warum SRAM Verstärkungstransistoren benötigt, weil die tatsächlichen Speicherarray-Transistoren so klein und schwach sind.

Bei typischen IC-Designs, bei denen die Dichte sehr wichtig ist, weisen die Bitzellen sehr kleine Transistoren auf. Außerdem werden sie typischerweise in große Arrays eingebaut, die sehr große Bitleitungskapazitäten aufweisen. Dies führt zu einer sehr langsamen (relativ) Entladung der Bitleitung durch die Bitzelle.

From: Wie implementiere ich einen SRAM-Leseverstärker?

Grundsätzlich ist der Punkt, dass es für kleine Transistoren schwieriger ist, die Zwischenverbindungen anzusteuern.

Es gibt auch Gate-Verzögerungen. Moderne CPUs haben mehr als zehn Pipeline-Stufen, vielleicht bis zu zwanzig.

Leistungsprobleme beim Pipelining

Es gibt auch induktive Effekte. Bei Mikrowellenfrequenzen werden sie ziemlich bedeutend. Sie können Übersprechen und dergleichen nachschlagen.

Nun, auch wenn Sie es schaffen, einen 3265810 THz-Prozessor zum Laufen zu bringen, besteht eine weitere praktische Grenze darin, wie schnell der Rest des Systems dies unterstützen kann. Sie müssen entweder über RAM, Speicher, Klebelogik und andere Verbindungen verfügen, die genauso schnell arbeiten, oder Sie benötigen einen immensen Cache.

Hoffe das hilft.

Das Wärmeproblem wird durch Fuzzyhair gut abgedeckt. Um die Übertragungsverzögerungen zusammenzufassen, beachten Sie Folgendes: Die Zeit, die ein elektrisches Signal benötigt, um das Motherboard zu durchqueren, beträgt jetzt mehr als einen Taktzyklus einer modernen CPU. Die Herstellung schnellerer CPUs wird also nicht viel bewirken.

Ein superschneller Prozessor ist wirklich nur dann von Vorteil, wenn es sich um einen Prozess handelt, bei dem es um eine massive Zahlenverarbeitung geht. Wenn häufig Daten an einem anderen Ort abgerufen werden müssen, wird diese zusätzliche Geschwindigkeit verschwendet. In heutigen Systemen können die meisten Aufgaben parallel ausgeführt werden und große Probleme werden auf mehrere Kerne verteilt.

Es hört sich so an, als würde sich Ihr Latex-Kompilierungsprozess verbessern durch:

• schnelleres IO. Versuchen Sie es mit einer RAMdisk.
• Ausführen verschiedener Dokumente auf verschiedenen Kernen
• Erwarten Sie nicht, dass ein 200-Seiten-Job mit hoher Bildintensität in 2 Sekunden ausgeführt wird

Es gibt drei physikalische Grenzen: Hitze, Gate-Verzögerung und Geschwindigkeit der elektrischen Übertragung.

Der Weltrekord bei der bisher höchsten Taktrate liegt (laut diesem Link) bei 8722,78 MHz

Die Geschwindigkeit der elektrischen Übertragung (ungefähr die gleiche wie die Lichtgeschwindigkeit) ist die absolute physikalische Grenze, da keine Daten schneller als auf mittlerem Niveau übertragen werden können. Gleichzeitig ist diese Grenze sehr hoch und daher normalerweise kein begrenzender Faktor.

CPUs bestehen aus einer Vielzahl von Gattern, von denen einige (nacheinander) in Reihe geschaltet sind. Ein Wechsel vom High-Zustand (zB 1) in den Low-Zustand (zB 0) oder umgekehrt dauert eine Weile. Dies ist die Gate-Verzögerung. Wenn also 100 Gates seriell verbunden sind und ein Switch 1 ns benötigt, müssen Sie mindestens 100 ns warten, bis das Ganze eine gültige Ausgabe liefert.

Diese Schalter verbrauchen die meiste Energie in einer CPU. Das bedeutet, wenn Sie die Taktrate erhöhen, erhalten Sie mehr Schalter, verbrauchen mehr Strom und erhöhen so die Heizleistung.

Überspannungen (=> mehr Leistung) verringern die Gate-Verzögerung ein wenig, erhöhen aber erneut die Heizleistung.

Irgendwo um 3 GHz steigt der Stromverbrauch für die Taktrate extrem an. Aus diesem Grund können 1,5-GHz-CPUs auf einem Smartphone ausgeführt werden, während die meisten 3-4-GHz-CPUs nicht einmal auf einem Laptop ausgeführt werden können.

Die Taktfrequenz ist jedoch nicht das Einzige, was eine CPU beschleunigen kann. Auch Optimierungen an der Pipeline oder der Mikrocode-Architektur können zu einer erheblichen Beschleunigung führen. Aus diesem Grund ist ein 3-GHz-Intel i5 (Dualcore) um ein Vielfaches schneller als ein 3-GHz-Intel Pentium D (Dualcore).

Eine Frage ist also: Gibt es eine physikalische Grenze für die CPU-Geschwindigkeit?

Das hängt stark von der CPU selbst ab. Herstellungstoleranzen führen dazu, dass die physikalische Grenze für jeden Chip ein bisschen anders ist als für denselben Wafer.

Übertragungsverzögerungen verursachen eine weitere Einschränkung der CPU-Geschwindigkeit. Sie erwähnen jedoch nicht, wie schnell es werden kann.

Das liegt daran, dass der Designer des Chips die Wahl hat transmission delayoder speed path lengthtrifft. Kurz gesagt, es ist, wie viel Arbeit die Logik in einem einzigen Taktzyklus erledigt . Eine komplexere Logik führt zu langsameren maximalen Taktraten, verbraucht aber auch weniger Strom.

Aus diesem Grund möchten Sie einen Benchmark zum Vergleichen von CPUs verwenden. Die Anzahl der Arbeitstakte pro Zyklus ist sehr unterschiedlich, sodass ein Vergleich der rohen MHz möglicherweise eine falsche Vorstellung ergibt.

Praktisch ist es definitiv die Wärmeleistung, die ungefähr proportional zum Quadrat der Spannung ist: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Jedes Material hat seine spezifische Wärmekapazität, die die Kühleffizienz begrenzt.
Unter Berücksichtigung der technischen Probleme bei der Kühlung und der Übertragungsverzögerung wird die Lichtgeschwindigkeit angezeigt, die die Entfernung begrenzt, die ein Signal innerhalb unserer CPU pro Sekunde zurücklegen kann. Daher muss die CPU umso schneller sein, je schneller sie arbeitet. Wenn die CPU ab einer bestimmten Frequenz arbeitet, kann sie für die elektronischen Wellenfunktionen (Elektronen, die nach der Schrödinger-Gleichung als Wellenfunktionen modelliert wurden) transparent werden.
Im Jahr 2007 haben einige Physiker eine grundlegende Grenze für die Betriebsgeschwindigkeit berechnet:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Neben all den anderen Antworten gibt es noch ein paar andere Überlegungen, die sich möglicherweise nicht direkt auf die CPU-Geschwindigkeit auswirken, die Erstellung von Informationen rund um diese CPU jedoch recht schwierig machen.

Kurz gesagt, über Gleichstrom wird die Funkfrequenz zu einem Problem. Je schneller du gehst, desto eher ist alles geneigt, als Riesenradio zu agieren. Dies bedeutet, dass Leiterplatten-Leiterbahnen unter Übersprechen, den Auswirkungen ihrer inhärenten Kapazität / Induktivität auf benachbarte Leiterbahnen / Masseflächen, Rauschen usw. usw. leiden.

Je schneller Sie fahren, desto schlimmer wird das alles - Komponentenschenkel können zum Beispiel eine unzulässige Induktivität verursachen.

Wenn Sie sich die Richtlinien für das Layout "grundlegender" Leiterplatten ansehen, die dem Niveau eines Himbeer-Pi mit etwas DDR-RAM entsprechen, müssen alle Leiterbahnen für den Datenbus usw. gleich lang sein, korrekt terminiert sein usw. und das ist es läuft deutlich unter 1 GHz.