Wie weit bewegen sich Elektronen in einem (theoretischen) 4-GHz-Prozessor in einem einzigen Taktzyklus?

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Ich habe letzte Nacht über Computer und Prozessoren und dieses Video einer digitalen 6-Bit-Addiermaschine nachgedacht, und ich weiß, dass 4 GHz die praktische Grenze für Serien-CPUs der aktuellen Ära zu sein scheint. Warum ist das so? Ich habe versucht, mir so etwas wie diese 6-Bit-Addiermaschine * 11 (ok, 10.6666 ...) vorzustellen, die nebeneinander aufgereiht ist und 4 Milliarden Mal in einer Sekunde arbeitet. Es ist umwerfend für mich. XKCD hat eine andere Sichtweise .

Für alle von Ihnen mit viel mehr Hintergrundwissen in der Physik als ich gibt es wohl ein paar Fragen: Warum scheint 4 GHz die praktische Grenze für Prozessoren zu sein? Kann Silizium nicht schneller schalten (und würde ein anderes Element helfen)? Wie weit gehen Elektronen in 1 / 4.000.000.000 Sekunden und wie lang sind die elektrischen Pfade beispielsweise auf einem Core 2 Duo-Prozessor und einem Motherboard? Ist 4 GHz die Grenze, weil Elektronen nicht schnell genug vom Prozessor in den und aus dem Speicher gelangen können, während sie sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen?

cpu clockspeed

— atroon
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Jedes Elektron bewegt sich in 0,25 ns kaum, selbst bei den zehn Ampere, die in solchen Prozessoren fließen.

Beispielsweise liegt in einem Kupferdraht mit einem Querschnitt von 0,5 mm², der einen Strom von 5 A führt, die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in der Größenordnung von einem Millimeter pro Sekunde. Wikipedia

Glücklicherweise müssen sich die Elektronen nicht sehr weit bewegen, um eine Welle zu tragen, die sich sehr schnell über große Entfernungen bewegt.

— Martin
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Interessant. Wenn Sie sich den Artikel ansehen, auf den Sie verwiesen haben, ziehen sie die Analogie dessen, was wir als "Elektrizität" betrachten, ähnlich wie Schall durch ein Gas ... eine Welle, die Energie überträgt und nicht einen tatsächlichen Luftstoß. Ich hatte mir elektrische Impulse immer als diese riesigen Elektronenströme vorgestellt, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit dahinfließen, aber es ist etwas abstrakter. Danke, dass du das für mich geklärt hast.

— Atroon

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Es ist nicht die Geschwindigkeit der Elektronen, die zählt, die wirklich langsam ist, sondern die Gruppenausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Felder, die sie herumschieben, was ungefähr 1/3 der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Angesichts der Tatsache, dass 2,4 GHz ungefähr eine Wellenlänge von 12 cm hat, besteht das Problem bei 4-GHz-Chips darin, dass die Größe des Chipchips im Vergleich zur Wellenlänge des Takts ziemlich groß ist und es daher viel zu schwierig wird, damit umzugehen Zeitversatz.

Außerdem steigt der Stromverbrauch einer CPU mit steigender Taktrate sehr schnell an, und irgendwann überhitzt sich das Ding.

— Andrew McGregor
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Und die Gruppengeschwindigkeit hängt eher vom Isolator um den Draht als von einer Eigenschaft des Drahtes selbst ab, da sich dort das Feld befindet.

— Martin

Interessant. Meinten Sie, der Chip ist im Vergleich zur Wellenlänge der Uhr ziemlich klein , oder verstehe ich das falsch? Könnten asynchrone CPUs überhaupt bei diesem Problem helfen?

— Zildjohn01