Что ограничивает скорость процессора?

102

Я недавно говорил с другом о компиляции LaTeX. LaTeX может использовать только одно ядро ​​для компиляции. Так что для скорости компиляции LaTeX тактовая частота центрального процессора является наиболее важной (см. Советы по выбору оборудования для лучшей производительности компиляции LaTeX )

Из любопытства я искал процессоры с самыми высокими тактовыми частотами. Я думаю, что это был Intel Xeon X5698 с частотой 4,4 ГГц ( источник ), который имел самую высокую тактовую частоту.

Но этот вопрос не о процессорах, которые продаются. Я хотел бы знать, как быстро это может быть, если вы не заботитесь о цене.

Итак, один вопрос: есть ли физический предел скорости процессора? Насколько это высоко?

И другой вопрос: какая максимальная скорость процессора достигнута на данный момент?

Я всегда думал, что скорость процессора была ограничена, потому что охлаждение (так тепло ) становится таким трудным. Но мой друг сомневается, что в этом причина (когда вам не нужно использовать традиционные / дешевые системы охлаждения, например, в научном эксперименте).

В [2] я читал, что задержки при передаче вызывают еще одно ограничение скорости процессора. Тем не менее, они не упоминают, как быстро он может получить.

Что я нашел

Обо мне

Я студент информатики. Я кое-что знаю о процессоре, но не слишком много. И еще меньше о физике, которая может быть важна для этого вопроса. Поэтому, пожалуйста, имейте это в виду для ваших ответов, если это возможно.

cpu physics Мартин Тома
источник
10
Ваш вопрос хороший, ожидайте очень хороших и образованных ответов. Мои два цента: значение «он работает только на одном ядре» -> «часы важнее всего» не соответствует действительности.
Владимир Краверо
12
Текущий рекорд для разогнанного процессора - AMD Bulldozer, работающий на частоте 8,4 ГГц . Охлаждали жидким азотом.
tcrosley
2
Хотя заголовок вопроса «Что ограничивает скорость процессора?» следует отметить, что утверждение: «LaTeX может использовать только одно ядро ​​для компиляции. Поэтому для скорости компиляции LaTeX тактовая частота процессора является самой важной», это не обязательно верно. Кэш процессора также может иметь значение. Из-за того, как работают современные процессоры, в сочетании с тем фактом, что существуют разные процессоры, имеющие одинаковые частоты, но разный размер кэша (ов), и то, как программное обеспечение было написано и используется, кэш CPU может иметь большее влияние на скорость выполнения, чем Частота процессора.
Shivan Dragon
2
Производительность одного потока не прямо пропорциональна тактовой частоте; отношения более сложные. Это может быть частично замаскировано сходством последних микроархитектур Intel x86 с улучшениями микроархитектуры, компенсирующими некоторые затраты на увеличение частоты.
Пол А. Клейтон
9
Я предлагаю сравнить процессор 2 ГГц 2004 года с процессором 2 ГГц 2014 года; вы обнаружите, что они не находятся на одном уровне даже в однопоточных задачах, и даже когда оба реализуют один и тот же набор команд - команды CISC, которые они подают, - это одно, но микрооперации эти разбиты в совсем другое.
Чарльз Даффи

Ответы:

76

Практически, то, что ограничивает скорость процессора, это и тепловыделение, и задержка затвора, но обычно нагрев становится гораздо более серьезной проблемой, прежде чем последний начинает работать.

Последние процессоры производятся с использованием технологии CMOS. Каждый раз, когда есть тактовый цикл, мощность рассеивается. Следовательно, более высокие скорости процессора означают большее рассеивание тепла.

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

Вот некоторые цифры:

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

введите описание изображения здесь

Вы действительно можете увидеть, как увеличивается мощность перехода процессора (экспоненциально!).

Кроме того, существуют некоторые квантовые эффекты, которые уменьшаются при уменьшении размера транзисторов. На нанометровом уровне транзисторные вентили фактически становятся «негерметичными».

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

Я не буду вдаваться в подробности, как эта технология работает здесь, но я уверен, что вы можете использовать Google для поиска этих тем.

Хорошо, теперь, для задержек передачи.

Каждый «провод» внутри процессора действует как маленький конденсатор. Также база транзистора или затвор полевого МОП-транзистора действуют как небольшие конденсаторы. Чтобы изменить напряжение на соединении, необходимо либо зарядить провод, либо снять заряд. По мере сжатия транзисторов это становится все труднее. Вот почему SRAM нужны транзисторы с усилителем, потому что на самом деле транзисторы с матричной памятью такие маленькие и слабые.

В типичных схемах ИС, где плотность очень важна, битовые ячейки имеют очень маленькие транзисторы. Кроме того, они обычно встроены в большие массивы, которые имеют очень большие емкости разрядных линий. Это приводит к очень медленной (относительно) разрядке битовой линии битовой ячейкой.

От: Как реализовать усилитель смысла SRAM?

По сути, дело в том, что малым транзисторам сложнее управлять межсоединениями.

Также есть задержки ворот. Современные процессоры имеют более десяти этапов конвейера, возможно, до двадцати.

Проблемы производительности в конвейерной обработке

Есть и индуктивные эффекты. На микроволновых частотах они становятся довольно значительными. Вы можете посмотреть перекрестные помехи и тому подобное.

Теперь, даже если вам удастся заставить работать процессор с частотой 3265810 ТГц, еще одним практическим ограничением является то, насколько быстро остальная система сможет его поддерживать. Вы либо должны иметь оперативную память, хранилище, связующую логику и другие межсоединения, которые работают так же быстро, или вам нужен огромный кэш.

Надеюсь это поможет.

fuzzyhair2
источник
1
Вы можете включить ссылку на эту дискуссию для хороших ссылок о том , как тактовая частота и энергопотребление относятся: physics.stackexchange.com/questions/34766/...
Emiswelt
2
Там также скорость электричества рассмотреть , когда речь идет о передаче задерживает en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity
ryantm
Увеличивается ли это экспоненциально или просто квадратично? На самом деле, это видео говорит об этом Power = Frequency ^ 1.74.
Пол Манта
2
Хорошим моментом, однако, является то, что одной из основных трудностей при проектировании процессора являются межсоединения. Физически большой чип может быть возможен, но помните, что они функционируют в диапазоне гигагерц. Вы хотите, чтобы провода были короткими.
fuzzyhair2
2
Поскольку вопрос является теоретическим, можно добавить, что другие полупроводники, такие как арсенид галлия, допускают более высокие частоты.
Якопо
32

Проблема жара хорошо покрыта нечеткой шерстью. Подводя итог задержкам передачи, рассмотрим следующее: время, необходимое для прохождения электрического сигнала через материнскую плату, теперь составляет более одного такта современного процессора. Так что создание более быстрых процессоров не даст большого результата.

Сверхбыстрый процессор действительно полезен только в массовых процессах обработки чисел, и только в том случае, если ваш код тщательно оптимизирован для выполнения его работы на кристалле. Если часто приходится искать данные в другом месте, вся эта дополнительная скорость теряется. В современных системах большинство задач могут выполняться параллельно, а большие проблемы разбиты на несколько ядер.

Похоже, ваш процесс компиляции из латекса будет улучшен:

  • быстрее IO. Попробуйте RAM-диск.
  • запуск разных документов на разных ядрах
  • не ожидая, что 200-страничная работа с изображениями будет выполнена за 2 секунды
Павел
источник
2
Жаль, что мне разрешено только одно возражение. Ваш ответ заслуживает большего за то, что вы указали, что тактовая частота не может быть узким местом в проблеме ОП.
Соломон Слоу
17

Есть три физических ограничения: тепло, задержка затвора и скорость электрической передачи.

Мировой рекорд наивысшей тактовой частоты на данный момент составляет (по этой ссылке) 8722,78 МГц

Скорость передачи электроэнергии (примерно такая же, как скорость света) является абсолютным физическим пределом, поскольку никакие данные не могут быть переданы быстрее, чем она является средней. В то же время этот предел очень высок, поэтому он обычно не является ограничивающим фактором.

Процессоры состоят из огромного количества шлюзов, из которых довольно много соединены последовательно (один за другим). Переход из высокого состояния (например, 1) в низкое состояние (например, 0) или наоборот занимает некоторое время. Это задержка ворот. Таким образом, если у вас есть 100 соединенных последовательно шлюзов, и для переключения требуется 1 нс, вам придется подождать не менее 100 нс, чтобы все это дало вам действительный выход.

Эти переключатели потребляют больше всего ресурсов процессора. Это означает, что если вы увеличите тактовую частоту, вы получите больше переключателей и, соответственно, будете использовать больше энергии, тем самым увеличивая тепловую мощность.

Перенапряжение (=> обеспечение большей мощности) немного уменьшает задержку затвора, но снова увеличивает тепловую мощность.

Где-то около 3 ГГц энергопотребление для тактовой частоты чрезвычайно возрастает. Вот почему процессоры с тактовой частотой 1,5 ГГц могут работать на смартфоне, а большинство процессоров с частотой 3-4 ГГц - даже на ноутбуке.

Но тактовая частота не единственная вещь, которая может ускорить процессор, а также оптимизация на конвейере или архитектура микрокода может вызвать значительное ускорение. Вот почему Intel i5 (Dualcore) с частотой 3 ГГц в несколько раз быстрее Intel Pentium D (Dualcore) с частотой 3 ГГц.

Dakkaron
источник
1
Просто разгон увеличивает линейное использование процессора. Так что двойная тактовая частота означает двойное энергопотребление. Но при более высоких тактовых частотах ворота становятся слишком медленными, чтобы работать с этой тактовой частотой, и вы начинаете получать ошибки вычисления -> случайные сбои. Таким образом, вам нужно увеличить напряжение, чтобы ускорить ворота. Потребляемая мощность масштабируется прямо по сравнению с напряжением. Таким образом, удвоение напряжения означает в четыре раза больше потребляемой мощности. Добавьте это, чтобы удвоить время, и вы получите в восемь раз больше энергии. Также необходимое напряжение увеличивается экспоненциально с тактовой частотой. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
Даккарон
1
Другая проблема заключается в том, что перенапряжение может просто поджарить ваш процессор, и с этим ничего нельзя поделать. Если ваш процессор настроен, например, на 3,3 В, вы можете подняться до 3,7 или даже до 4 В, но если вы поднимитесь до высокого уровня, он просто разрушит чип. Еще одна ссылка, которую стоит прочитать: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage
Даккарон
3
Скорость передачи данных является проблемой: на 3 ГГц вы получаете только 10 см / цикл. Поскольку типичный процессор в настоящее время имеет площадь 300 м², я полагаю, что после 10 ГГц придется пересмотреть конструкцию процессора, поскольку, вероятно, не все части чипа могут быть достигнуты за один цикл.
Мартин Шредер,
1
@ MartinSchröder: Это не такая большая проблема, поскольку (а) процессор умирает из-за высокой температуры и задержки затвора до достижения 10 ГГц, а (б) процессоры становятся меньше с каждым поколением. Например, 6-ядерный i7 с гиперпоточностью имеет примерно тот же размер, что и одноядерный Pentium 4. Но у i7 есть 6 полных ядер и еще 6 «полуядер» для гиперпоточности. Также есть кеш. Также эти ядра разделены на фазы трубопровода. Только части ЦП в одном ядре и одной фазе конвейера (и, возможно, L1-кэш) должны быть достигнуты за один цикл.
Даккарон
1
@ com.prehensible Пост, который вы связали, на самом деле говорит о том, что этот транзистор с частотой 500 ГГц является «всего лишь» аналоговым транзистором, используемым для аналоговой РЧ-модуляции. Это ни в коем случае не компьютерный процессор.
Даккарон
5

r=5.291×10−11
c=3×108,
F=1t=c2πr=9.03×1017Hz
8×109Hz
Guill
источник
Я сделал несколько правок для вашего LaTeX. Не могли бы вы проверить правильность редактирования частоты?
Мартин Тома
Как вы пришли к текущему состоянию технологического лимита?
Мартин Тома
Вы пишете, что текущий предел составляет «8x 10 ^ 9 Гц». Что такое х? Вы в конце концов хотели написать точку умножения?
Мартин Тома
1
Вы также построили бы этот самый быстрый компьютер на радиусе черной дыры Шварцшильда для максимального эффекта. Радиус Бора - это большой путь для работы на высоких скоростях. :)
Госвин фон Бредерлоу
3

Итак, один вопрос: есть ли физический предел скорости процессора?

Это сильно зависит от самого процессора. Производственные допуски приводят к тому, что физический предел немного отличается для каждого чипа даже от одной и той же пластины.

Задержки передачи вызывают другое ограничение скорости процессора. Тем не менее, они не упоминают, как быстро он может получить.

Это потому , что transmission delayили speed path lengthэто выбор для дизайнера чипа сделать. Короче говоря, это то, сколько работы выполняет логика за один такт . Более сложная логика приводит к снижению максимальной тактовой частоты, но также потребляет меньше энергии.

Вот почему вы хотите использовать тест для сравнения процессоров. Числа работы за цикл сильно отличаются, поэтому сравнение необработанных МГц может дать вам неверное представление.

Turbo J
источник
2

Практически, это определенная тепловая мощность, которая приблизительно пропорциональна квадрату напряжения: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Каждый материал имеет свою удельную теплоемкость, которая ограничивает эффективность охлаждения.
Не принимая во внимание технические проблемы, связанные с охлаждением и задержкой передачи, вы обнаружите, что скорость света ограничивает расстояние, которое сигнал может проходить в пределах нашего процессора в секунду. Следовательно, процессор должен работать быстрее, чем быстрее. Наконец, если он работает за пределами определенной частоты, процессор может стать прозрачным для электронных волновых функций (электроны, смоделированные как волновые функции по уравнению Шредингера).
В 2007 году некоторые физики вычислили фундаментальный предел для рабочих скоростей:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Ларс Хадиди
источник
0

Как и все остальные ответы, есть также несколько других соображений, которые не могут напрямую влиять на скорость процессора, но затрудняют построение чего-либо вокруг этого процессора;

Короче говоря, выше DC, радиочастота становится проблемой. Чем быстрее вы идете, тем больше все склонны действовать как гигантское радио. Это означает, что следы печатных плат страдают от перекрестных помех, влияния их собственной емкости / индуктивности с соседними дорожками / заземляющей плоскостью, шума и т. Д. И т. Д. И т. Д. И т. Д.

Чем быстрее вы идете, тем хуже становится все это - составляющие могут, например, создавать неприемлемую индуктивность.

Если вы посмотрите на рекомендации по разметке «базовых» печатных плат уровня Raspberry Pi с некоторым объемом оперативной памяти DDR, все трассы для шины данных и т. Д. Должны быть одинаковой длины, иметь правильное завершение и т. Д., И это работает намного ниже 1 ГГц.

Джон У
источник