Почему тактовая частота процессора не увеличивается

Было время, когда тактовая частота процессора резко увеличивалась из года в год. В 90-х и начале 2000-х процессоры росли с невероятной скоростью, перескочив с процессоров Pentium с частотой 60 МГц до процессоров уровня гигагерц в течение десятилетия.

Теперь кажется, что даже высокопроизводительные процессоры перестали увеличивать свою тактовую частоту. Специализированные оверклокеры могут довести лучшие микросхемы до 9 ГГц с помощью систем охлаждения жидким азотом, но для большинства пользователей 5 ГГц - это предел, который еще не пройден.

Когда-то Intel планировала выпустить процессор с тактовой частотой 10 ГГц, но сегодня это так же недосягаемо, как и десять лет назад. Почему перестала увеличиваться тактовая частота процессора? Тактовая частота процессора снова начнет увеличиваться или это время прошло?

Почему не увеличивается тактовая частота процессора: тепло и мощность

закон увеличения тактовой частоты

Как мы знаем из закона Мура, размер транзистора регулярно уменьшается. Это означает, что в процессор можно поместить больше транзисторов. Обычно это означает большую вычислительную мощность. Есть еще один фактор, называемый масштабированием Деннарда. Этот принцип гласит, что мощность, необходимая для работы транзисторов в определенном единичном объеме, остается постоянной даже при увеличении количества транзисторов.

Однако мы начали сталкиваться с ограничениями масштабирования Деннарда, и некоторые обеспокоены тем, что закон Мура замедляется. Транзисторы стали настолько маленькими, что масштабирование Деннарда больше не выполняется. Транзисторы сжимаются, но мощность, необходимая для их работы, увеличивается.

тактовая частота-возрастающая-утечка-мощность

Тепловые потери также являются важным фактором при проектировании микросхемы. Запихивание миллиардов транзисторов в микросхему и их включение и выключение тысячи раз в секунду создает массу тепла. Это тепло смертельно опасно для высокоточного и высокоскоростного кремния. Это тепло должно куда-то уходить, и для поддержания разумных тактовых частот требуются надлежащие решения по охлаждению и конструкция микросхем. Чем больше добавлено транзисторов, тем более надежной должна быть система охлаждения, чтобы выдерживать повышенное тепло.

Увеличение тактовой частоты также подразумевает увеличение напряжения, что приводит к кубическому увеличению энергопотребления чипа. По мере увеличения тактовой частоты выделяется больше тепла, что требует более мощных решений для охлаждения. Для работы этих транзисторов и увеличения тактовой частоты требуется большее напряжение, что приводит к значительному увеличению энергопотребления. Поэтому, когда мы пытаемся увеличить тактовую частоту, мы обнаруживаем, что потребление тепла и энергии резко возрастает. В конце концов, требования к мощности и выработке тепла опережают тактовую частоту.

Почему не увеличивается тактовая частота процессора: проблемы с транзисторами

Конструкция и состав транзисторов также препятствуют тому, чтобы тактовая частота, которую мы когда-то видели, была очевидна. Хотя транзисторы стабильно становятся меньше (что свидетельствует о сокращении размеров процесса со временем), они не работают быстрее. Как правило, транзисторы стали быстрее, потому что их вентили (часть, которая движется в ответ на ток) истончились. Тем не менее, начиная с 45-нанометрового процесса Intel, толщина затвора транзистора составляет примерно 0,9 нм, или около ширины одного атома кремния. Хотя различные материалы транзисторов могут обеспечить более быструю работу затвора, легкое увеличение скорости, которое мы когда-то имели, вероятно, исчезло.

поперечное сечение транзистора, увеличивающего тактовую частоту

Скорость транзистора больше не является единственным фактором, влияющим на тактовую частоту. Сегодня провода, соединяющие транзисторы, также являются важной частью уравнения. По мере сжатия транзисторов уменьшаются и соединяющие их провода. Чем меньше провода, тем больше сопротивление и меньше ток. Интеллектуальная маршрутизация может помочь сократить время в пути и тепловыделение, но резкое увеличение скорости может потребовать изменения законов физики.

Заключение: нельзя ли лучше?

Это просто объясняет, почему разработка более быстрых микросхем является сложной задачей. Но эти проблемы с дизайном микросхем были решены раньше, не так ли? Почему их нельзя снова преодолеть с помощью достаточных исследований и разработок?

Из-за ограничений физики и современной конструкции материалов транзисторов увеличение тактовой частоты в настоящее время не является лучшим способом увеличения вычислительной мощности. Сегодня большие улучшения в мощности достигаются за счет конструкции многоядерных процессоров. В результате мы видим чипы, подобные недавним предложениям AMD, с резко увеличившимся количеством ядер. Дизайн программного обеспечения еще не догнал эту тенденцию, но, похоже, сегодня это основное направление дизайна микросхем.

Более высокие тактовые частоты не обязательно означают более быстрые и лучшие компьютеры. Возможности компьютера все еще могут увеличиваться, даже если тактовая частота процессора находится на плато. Тенденции в многоядерной обработке данных обеспечат большую вычислительную мощность при тех же самых высоких скоростях, особенно по мере совершенствования программного распараллеливания.

Изображение предоставлено: ourworldindata.org

7 комментариев

  1. Мы приближаемся к пределу размеров транзистора. Что необходимо, так это революционный прорыв в технологии, аналогичный прогрессу от вакуумной лампы до транзистора. Является ли квантовый компьютер ответом или следующее достижение в области процессоров будет основано на еще не открытой технологии?

  2. Тактовые частоты сами по себе могут не увеличиваться, но скорость обработки не исчерпана. Все мы привыкли работать на четырехъядерных процессорах. Конечно, следующими шагами будет увеличение количества ядер до 6-8-12 или 16.

  3. "Увеличение тактовых частот также подразумевает увеличение напряжения, что приводит к кубическому увеличению энергопотребления для чипа". Я понимаю, что скорость нарастания переходов сигналов является ограничивающим фактором для тактовых частот. По мере того, как часы становятся быстрее, необходимо уменьшать напряжение, чтобы сократить время изменения состояния. Это одна из причин перехода с логики 5В на 3,3В.

  4. Это будут либо квантовые вычисления, либо фотонные схемы, либо кремний, который будет заменен графеном, что позволит обеспечить более высокие плотности тока без увеличения нагрева из-за более низкого сопротивления углерода по сравнению с кремнием в этом приложении. Но даже это последнее достигнет физического предела. Photonics может использовать трехмерную архитектуру, которая позволит создать более эффективную структуру по сравнению с существующей двумерной архитектурой.

    Будет интересно посмотреть, что выйдет из лабораторий в ближайшее десятилетие или около того.

  5. "Дизайн программного обеспечения еще не догнал эту тенденцию, но, похоже, сегодня он является основным направлением проектирования микросхем". Это неправда - разве современные инструменты разработки, такие как Visual Studio и собственные предложения INTEL, не предназначены для борьбы с эрой многоядерных процессоров? Если вы говорите, что разработчики недостаточно подготовлены для решения этой задачи, это другое дело, и, вероятно, для этого есть несколько веских причин (помимо идеи, что все они "ленивы"). Возможно, именно здесь наши достижения в области машинного обучения могут сыграть роль в оптимизации разработки приложений, чтобы лучше использовать преимущества всех этих ядер. ????

  6. Тактовая частота более чем достаточно высока. Лучше спросить, почему операционные системы, захватывающие процессоры, не увеличили скорость? Чтобы открыть простое маленькое приложение в 2019 году, требуется почти столько же времени, что и в 1995 году. Ужасно просто ужасно.


    Я определенно оспариваю утверждение, что сегодня для открытия приложения требуется столько же времени, сколько и в 1995 году, когда я, возможно, несколько лет назад запускал файлы с дискет 5,25 дюйма. Но если отбросить это в сторону, сложность программ возрастает по мере увеличения возможностей компьютеров. Чем больше может сделать программист, тем больше он захочет сделать. Есть аналогичный аргумент о том, как производители "заставляют" телефоны работать медленнее, как будто требования к программному обеспечению остаются неизменными навсегда.

Комментарии закрыты.