Dies hängt hauptsächlich mit der Länge der Verbindungen und den Ausbreitungsverzögerungen durch die Tore zusammen. Wenn wir eine CPU auf das Wesentliche reduzieren, handelt es sich um eine Feedback-Maschine. Eine Reihe von kombinatorischen Logikschaltungen berechnen einige Boolesche Funktionen über den aktuellen Zustand der Maschine, und diese Funktionen bestimmen den neuen Zustand, der durch eine sequentielle Schaltung zwischengespeichert wird, wenn eine neue Taktflanke eintrifft. Die kombinatorischen Schaltungen weisen alle Verzögerungen auf. Die Taktperiode kann nicht kürzer sein als die Zeit, die der langsamste Pfad durch diese Tore benötigt, um ein stabiles Ergebnis zu erzielen, da ein einzelnes falsches Bit die Show stoppt.
Darüber hinaus hat die sequentielle Logik Zeitanforderungen. Bevor die Taktflanke eintrifft, müssen die Eingänge für eine gewisse Mindesteinrichtungszeit stabil sein, und danach müssen sie für eine gewisse Haltezeit stabil sein. Wenn diese verletzt werden, wird der Staat Müll.
Die Ausbreitungsverzögerungen werden beispielsweise dadurch verursacht, wie schnell sich parasitäre Kapazitäten aufladen können, wie schnell sich Strom angesichts einer Induktivität aufbauen kann und wie schnell Siliziumbauelemente schalten können. Beispielsweise kann ein Bipolartransistor mit einer kleineren Basis schneller schalten als einer mit einer größeren Basis, sodass ein winziger Transistor auf einem Chip schneller ist als ein diskreter.
In einer früheren Antwort, die ich gelöscht habe, habe ich über Übertragungsleitungseffekte geschrieben. Aber ich habe nicht bedacht, dass diese Effekte bei der Geschwindigkeit, von der wir sprechen, überhaupt nicht ins Bild kommen, weil die Wellenlänge bei 10 MHz immer noch etwa 30 Meter beträgt. Im Maßstab einer gewöhnlichen Leiterplatte erreichen Impulse im Zeitbereich von einigen Megahertz immer noch alle Teile eines Kupfernetzwerks gleichzeitig.
Wenn Sie also eine CPU aus diskreten Bauteilen herstellen, erreichen Sie die kleinen Bauteile einfach nicht mit schnellen Schaltzeiten und der gleichen Nähe, die Streukapazitäten und Induktivitäten minimiert.
Trotzdem liefen alte Diskrete-Komponenten-Maschinen in den 1960er Jahren viel schneller als diese Homebrew-Maschinen. Es dauerte einige Zeit und List, um dorthin zu gelangen. Zum Beispiel lief der IBM 360 Model 44 (1964) mit 4 Mhz. Das mag immer noch "Homebrew-Geschwindigkeit" sein, aber die CDC 7600, die nur wenige Jahre später im Jahr 1969 auf den Markt kam, übertraf 36 Mhz. Der Wikipedia-Artikel http://en.wikipedia.org/wiki/CDC_7600 gibt einen Hinweis auf einige der Tricks, die gezogen wurden, zum Beispiel:
"Wie immer konzentrierte sich Crays Design auch auf das Packen, um die Größe zu verringern, die Signalwege zu verkürzen und damit die Betriebsfrequenz zu erhöhen. Jedes Schaltungsmodul bestand tatsächlich aus bis zu sechs Leiterplatten, von denen jede mit Subminiaturwiderständen und Dioden bestückt war und Transistoren. Die sechs Platinen wurden gestapelt und dann entlang ihrer Kanten miteinander verbunden, was zu einem sehr kompakten, aber im Grunde nicht reparierbaren Modul führte. "
Daher sind die Homebrew-CPUs aufgrund einiger verwirrender Effekte, die mit der Verarbeitungsqualität und dem Layout zusammenhängen, nicht unbedingt auf ihr wahres Potenzial ausgelegt. Dennoch sollte jeder begrüßt werden, der eine CPU aus einzelnen integrierten Schaltkreisen und diskreten Bauteilen mit mehreren Megahertz aufbaut.
