Apa yang membatasi kecepatan CPU?

Saya baru-baru ini berbicara dengan seorang teman tentang kompilasi LaTeX. LaTeX hanya dapat menggunakan satu inti untuk dikompilasi. Jadi untuk kecepatan kompilasi LaTeX, kecepatan clock CPU adalah yang paling penting (lihat Tips untuk memilih perangkat keras untuk kinerja kompilasi LaTeX terbaik )

Karena penasaran, saya telah mencari CPU dengan kecepatan clock tertinggi. Saya pikir itu adalah Intel Xeon X5698 dengan 4,4 GHz ( sumber ) yang memiliki kecepatan clock tertinggi.

Tetapi pertanyaan ini bukan tentang CPU yang dijual. Saya ingin tahu seberapa cepat bisa didapat jika Anda tidak peduli dengan harganya.

Jadi satu pertanyaan adalah: Apakah ada batasan fisik untuk kecepatan CPU? Seberapa tinggi?

Dan pertanyaan lainnya adalah: Berapa kecepatan CPU tertinggi yang dicapai sejauh ini?

Saya selalu berpikir bahwa kecepatan CPU terbatas karena pendinginan (jadi panas ) menjadi sangat sulit. Tetapi teman saya ragu bahwa ini adalah alasannya (ketika Anda tidak harus menggunakan sistem pendingin tradisional / murah, misalnya dalam percobaan ilmiah).

Dalam [2] Saya pernah membaca bahwa keterlambatan pengiriman menyebabkan keterbatasan kecepatan CPU. Namun, mereka tidak menyebutkan seberapa cepat itu bisa didapat.

Apa yang saya temukan

• [1] Ilmuwan Menemukan Batas Maksimal Mendasar untuk Kecepatan Prosesor : Tampaknya hanya tentang komputer quantuum, tetapi pertanyaan ini adalah tentang CPU "tradisional".
• [2] Mengapa ada batas kecepatan CPU?

Tentang saya

Saya seorang mahasiswa ilmu komputer. Saya tahu sesuatu tentang CPU, tetapi tidak terlalu banyak. Dan lebih sedikit lagi tentang fisika yang mungkin penting untuk pertanyaan ini. Jadi harap ingat itu untuk jawaban Anda, jika memungkinkan.

Secara praktis, apa yang membatasi kecepatan CPU adalah panas yang dihasilkan dan penundaan gerbang, tetapi biasanya, panas menjadi masalah yang jauh lebih besar sebelum yang terakhir dimulai.

Prosesor terbaru diproduksi menggunakan teknologi CMOS. Setiap kali ada siklus jam, daya hilang. Oleh karena itu, kecepatan prosesor yang lebih tinggi berarti lebih banyak pembuangan panas.

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

Berikut ini beberapa gambar:

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

Anda benar-benar dapat melihat bagaimana daya transisi CPU meningkat (secara eksponensial!).

Juga, ada beberapa efek kuantum yang menendang ketika ukuran transistor menyusut. Pada tingkat nanometer, gerbang transistor sebenarnya menjadi "bocor".

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

Saya tidak akan membahas bagaimana teknologi ini bekerja di sini, tetapi saya yakin Anda dapat menggunakan Google untuk mencari topik ini.

Oke, sekarang, untuk keterlambatan transmisi.

Setiap "kabel" di dalam CPU bertindak sebagai kapasitor kecil. Juga, basis transistor atau gerbang MOSFET bertindak sebagai kapasitor kecil. Untuk mengubah voltase pada koneksi, Anda harus mengisi daya kabel atau melepasnya. Ketika transistor menyusut, menjadi lebih sulit untuk melakukan itu. Inilah sebabnya mengapa SRAM memerlukan transistor amplifikasi, karena sebenarnya transistor array memori sangat kecil dan lemah.

Dalam desain IC yang khas, di mana kepadatan sangat penting, sel-bit memiliki transistor yang sangat kecil. Selain itu, mereka biasanya dibangun ke dalam array besar, yang memiliki kapasitansi bit-line yang sangat besar. Ini menghasilkan pelepasan bit-line yang sangat lambat (sedikit) oleh sel-bit.

Dari: Bagaimana menerapkan penguat rasa SRAM?

Pada dasarnya, intinya adalah bahwa lebih sulit untuk transistor kecil harus menggerakkan interkoneksi.

Juga, ada penundaan gerbang. CPU modern memiliki lebih dari sepuluh tahapan pipa, mungkin hingga dua puluh.

Masalah Kinerja di Pipelining

Ada juga efek induktif. Pada frekuensi microwave, mereka menjadi sangat signifikan. Anda dapat mencari crosstalk dan hal-hal semacam itu.

Sekarang, bahkan jika Anda berhasil membuat prosesor 3265810 THz bekerja, batas praktis lainnya adalah seberapa cepat sisa sistem dapat mendukungnya. Anda juga harus memiliki RAM, penyimpanan, logika lem, dan interkoneksi lain yang bekerja sama cepatnya, atau Anda memerlukan cache yang sangat besar.

Semoga ini membantu.

Masalah panas ditutupi dengan baik oleh fuzzyhair. Untuk meringkas penundaan transmisi, pertimbangkan ini: Waktu yang diperlukan untuk sinyal listrik untuk melintasi motherboard sekarang lebih dari satu siklus clock dari CPU modern. Jadi membuat CPU lebih cepat tidak akan menghasilkan banyak.

Prosesor super cepat benar-benar hanya bermanfaat dalam proses angka-angka besar, dan hanya jika kode Anda dioptimalkan dengan hati-hati untuk melakukan itu bekerja pada chip. Jika sering harus pergi ke tempat lain untuk data semua kecepatan ekstra itu terbuang sia-sia. Dalam sistem saat ini, sebagian besar tugas dapat dijalankan secara paralel dan masalah besar terpecah pada beberapa inti.

Sepertinya proses kompilasi lateks Anda akan ditingkatkan dengan:

• IO lebih cepat. Coba RAMdisk.
• menjalankan berbagai dokumen pada inti yang berbeda
• tidak mengharapkan pekerjaan intensif gambar 200 halaman dilakukan dalam 2 detik

Ada tiga batasan fisik: Panas, penundaan gerbang dan kecepatan transmisi listrik.

Rekor dunia pada kecepatan clock tertinggi sejauh ini adalah (menurut tautan ini ) 8722,78 MHz

Kecepatan transmisi listrik (hampir sama dengan kecepatan cahaya) adalah batas fisik absolut, karena tidak ada data yang dapat ditransmisikan lebih cepat daripada mediumnya. Pada saat yang sama batas ini sangat tinggi, sehingga biasanya bukan merupakan faktor pembatas.

CPU terdiri dari sejumlah besar gerbang, yang beberapa diantaranya terhubung secara serial (satu demi satu). Peralihan dari kondisi tinggi (mis. 1) ke kondisi rendah (mis. 0) atau sebaliknya membutuhkan waktu. Ini adalah penundaan gerbang. Jadi, jika Anda memiliki 100 gerbang yang terhubung secara seri dan dibutuhkan 1 ns untuk beralih, Anda harus menunggu setidaknya 100 ns agar semuanya memberikan Anda hasil yang valid.

Sakelar ini adalah hal yang paling banyak memakan daya pada CPU. Ini berarti jika Anda meningkatkan kecepatan clock Anda mendapatkan lebih banyak switch sehingga menggunakan lebih banyak daya sehingga meningkatkan output panas.

Overvolting (=> memberikan lebih banyak daya) mengurangi sedikit keterlambatan gerbang, tetapi sekali lagi meningkatkan keluaran panas.

Di suatu tempat sekitar 3 GHz penggunaan daya untuk kecepatan clock meningkat sangat. Inilah sebabnya mengapa CPU 1,5 GHz dapat berjalan pada ponsel pintar sementara sebagian besar CPU 3-4 GHz bahkan tidak dapat dijalankan pada laptop.

Tetapi Clock Speed ​​bukan satu-satunya hal yang dapat mempercepat CPU, juga optimisasi pada pipeline atau arsitektur mikrokode dapat menyebabkan peningkatan yang signifikan. Inilah sebabnya mengapa 3 GHz Intel i5 (Dualcore) beberapa kali lebih cepat dari Intel Pentium D (Dualcore) 3 GHz.

Jawaban atas pertanyaan Anda adalah: Ya , ada batas fisik untuk kecepatan CPU. Batas teoritis tertinggi akan ditentukan oleh seberapa cepat "sakelar" dapat berganti status. Jika kita menggunakan elektron sebagai dasar sakelar, kita menggunakan jari-jari Bohr dan kecepatan tercepat yang mungkin untuk menghitung frekuensi pada saat negara teknologi, batas sebenarnya adalah sekitar c = 3 × 10 8 , F =

Jadi satu pertanyaan adalah: Apakah ada batasan fisik untuk kecepatan CPU?

Itu sangat tergantung pada CPU itu sendiri. Toleransi manufaktur menghasilkan fakta bahwa batas fisik sedikit berbeda untuk setiap chip bahkan dari wafer yang sama.

keterlambatan transmisi menyebabkan batasan lain dalam kecepatan CPU. Namun, mereka tidak menyebutkan seberapa cepat itu bisa didapat.

Itu karena transmission delayatau speed path lengthmerupakan pilihan bagi perancang chip untuk membuat. Singkatnya, ini adalah seberapa banyak kerja yang dilakukan oleh logika dalam satu siklus clock tunggal . Logika yang lebih kompleks menghasilkan kecepatan clock maksimum yang lebih lambat, tetapi juga menggunakan daya yang lebih kecil.

Inilah mengapa Anda ingin menggunakan tolok ukur untuk membandingkan CPU. Angka kerja per siklus sangat berbeda, jadi membandingkan MHz mentah dapat memberikan Anda ide yang salah.

Secara praktis, definisi ini menentukan daya termal yang kira-kira sebanding dengan kuadrat tegangan: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Setiap bahan memiliki kapasitas panas spesifik yang membatasi efisiensi pendinginan.
Tanpa mempertimbangkan masalah teknis pada pendinginan dan penundaan transmisi, Anda akan menemukan kecepatan cahaya yang membatasi jarak yang dapat dilalui sinyal dalam cpu kami per detik. Oleh karena itu, cpu harus mendapatkan lebih banyak lebih cepat operasinya. Akhirnya, itu beroperasi di luar frekuensi tertentu, cpu dapat menjadi transparan untuk fungsi gelombang elektronik (elektron dimodelkan sebagai fungsi gelombang mengikuti persamaan Schroedinger).
Pada 2007, beberapa fisikawan menghitung batas mendasar untuk kecepatan operasi:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Selain semua jawaban lain, ada juga beberapa pertimbangan lain yang mungkin tidak mempengaruhi kecepatan CPU secara langsung tetapi membuat membangun apa pun di sekitar CPU itu cukup sulit;

Singkatnya, di atas DC, frekuensi radio menjadi masalah. Semakin cepat Anda pergi, semakin cenderung semuanya untuk bertindak sebagai radio raksasa. Ini berarti bahwa jejak PCB mengalami crosstalk, efek dari kapasitansi / induktansi yang melekat dengan trek / bidang tanah yang berdekatan, kebisingan, dll. Dll. Dll.

Semakin cepat Anda pergi, semakin buruk semua ini - komponen kaki dapat memperkenalkan induktansi yang tidak dapat diterima misalnya.

Jika Anda melihat pedoman untuk meletakkan "dasar" PCB dari jenis tingkat Raspberry Pi dengan beberapa RAM DDR, semua jejak untuk bus data dll harus sama panjang, memiliki pemutusan yang benar dll dan itu berjalan jauh di bawah 1GHz.