Υπήρχε μια φορά που η ταχύτητα ρολογιού CPU αυξήθηκε δραματικά από έτος σε έτος. Στη δεκαετία του '90 και στις αρχές της δεκαετίας του 2000 οι επεξεργαστές αυξήθηκαν με απίστευτες ταχύτητες, πυροβολώντας από τσιπ Pentium 60 MHz σε επεξεργαστές επιπέδου gigahertz μέσα σε μια δεκαετία.

Τώρα, φαίνεται ότι ακόμα και οι high-end επεξεργαστές έχουν σταματήσει να αυξάνουν τις ταχύτητες ρολογιού τους. Τα ειδικά overclockers μπορούν να ωθήσουν το καλύτερο πυρίτιο σε περίπου 9 GHz με συστήματα ψύξης υγρού αζώτου, αλλά για τους περισσότερους χρήστες, το 5 GHz είναι ένα όριο που δεν έχει ακόμη περάσει.

Η Intel κάποτε σχεδίαζε να φτάσει σε έναν επεξεργαστή 10 GHz, αλλά αυτό παραμένει όσο δεν είναι εφικτό σήμερα όπως ήταν πριν από δέκα χρόνια. Γιατί η ταχύτητα ρολογιού του επεξεργαστή σταματά να αυξάνεται; Η ταχύτητα του ρολογιού του επεξεργαστή αρχίζει να αυξάνεται ξανά ή έχει περάσει αυτός ο χρόνος;

Γιατί η ταχύτητα του ρολογιού CPU δεν αυξάνεται: Θέρμανση και ισχύς

Όπως γνωρίζουμε από το νόμο του Moore, το μέγεθος των τρανζίστορ συρρικνώνεται σε τακτική βάση. Αυτό σημαίνει ότι περισσότερα τρανζίστορ μπορούν να συσκευάζονται σε έναν επεξεργαστή. Τυπικά αυτό σημαίνει μεγαλύτερη ισχύ επεξεργασίας. Υπάρχει επίσης ένας άλλος παράγοντας στο παιχνίδι, ονομάζεται κλίμακα Dennard. Αυτή η αρχή δηλώνει ότι η ισχύς που απαιτείται για τη λειτουργία των τρανζίστορ σε ένα συγκεκριμένο όγκο μονάδων παραμένει σταθερή ακόμα και όταν ο αριθμός των τρανζίστορ αυξάνεται.

Ωστόσο, έχουμε αρχίσει να αντιμετωπίζουμε τα όρια της κλιμάκωσης του Dennard, και μερικοί ανησυχούν ότι ο νόμος του Moore επιβραδύνεται. Τα τρανζίστορ έχουν γίνει τόσο μικρά ώστε η κλίμακα του Dennard δεν κατέχει πλέον. Τα τρανζίστορ συρρικνώνονται, αλλά αυξάνεται η ισχύς που απαιτείται για την εκτέλεση τους.

Οι θερμικές απώλειες αποτελούν επίσης σημαντικό παράγοντα για το σχεδιασμό των τσιπ. Κρατώντας δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα τσιπ και ενεργοποιώντας και σβήνοντας χιλιάδες φορές ανά δευτερόλεπτο δημιουργεί έναν τόνο θερμότητας. Αυτή η θερμότητα είναι θανατηφόρα για πυρίτιο υψηλής ακρίβειας και υψηλής ταχύτητας. Αυτή η θερμότητα πρέπει να πάει κάπου και απαιτούνται κατάλληλες λύσεις ψύξης και σχέδια τσιπ για να διατηρούνται λογικές ταχύτητες ρολογιού. Όσο περισσότεροι τρανζίστορ προστίθενται, τόσο πιο ισχυρό είναι το σύστημα ψύξης για να δέχεται την αυξημένη θερμότητα.

Η αύξηση των ταχυτήτων του ρολογιού συνεπάγεται επίσης αύξηση της τάσης, η οποία οδηγεί σε κυβική αύξηση της κατανάλωσης ρεύματος για το τσιπ. Έτσι, καθώς οι ταχύτητες ρολογιού ανεβαίνουν, παράγεται περισσότερη θερμότητα, απαιτώντας πιο ισχυρές λύσεις ψύξης. Η λειτουργία αυτών των τρανζίστορ και η αύξηση των ταχυτήτων ρολογιού απαιτεί περισσότερη τάση, με αποτέλεσμα δραματικά μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Έτσι, καθώς προσπαθούμε να αυξήσουμε την ταχύτητα του ρολογιού, διαπιστώνουμε ότι η κατανάλωση θερμότητας και ενέργειας αυξάνεται δραματικά. Στο τέλος, οι απαιτήσεις ισχύος και η παραγωγή θερμότητας υπερβαίνουν την ταχύτητα του ρολογιού.

Γιατί η ταχύτητα του ρολογιού της CPU δεν αυξάνεται: Διαταραχές των τρανζίστορ

Ο σχεδιασμός και η σύνθεση του τρανζίστορ αποτρέπουν επίσης τις εύκολες ταχύτητες ρολογιού που έχουμε δει κάποτε. Ενώ τα τρανζίστορ αυξάνονται αξιόπιστα (το μέγεθος των διαδικασιών συρρίκνωσης μάρτυρας με την πάροδο του χρόνου), δεν λειτουργούν ταχύτερα. Συνήθως, τα τρανζίστορ έχουν φτάσει ταχύτερα επειδή οι πύλες τους (το τμήμα που κινείται σε απόκριση του ρεύματος) έχουν αραιωθεί. Ακόμα και μετά τη διαδικασία 45nm της Intel, η πύλη του τρανζίστορ έχει πάχος περίπου 0, 9nm ή περίπου το πλάτος ενός ατόμου πυριτίου. Ενώ διαφορετικά υλικά τρανζίστορ μπορούν να επιτρέψουν την ταχύτερη λειτουργία της πύλης, η εύκολη αύξηση ταχύτητας που κάποτε είχαμε προφανώς εξαφανιστεί.

Η ταχύτητα του τρανζίστορ δεν είναι πια ο μόνος παράγοντας στην ταχύτητα του ρολογιού. Σήμερα, τα καλώδια που συνδέουν τα τρανζίστορ είναι επίσης ένα μεγάλο μέρος της εξίσωσης. Καθώς οι τρανζίστορ συρρικνώνονται, και τα καλώδια που τα συνδέουν. Όσο μικρότερα είναι τα σύρματα, τόσο μεγαλύτερη είναι η σύνθετη αντίσταση και μειώνεται το ρεύμα. Η έξυπνη δρομολόγηση μπορεί να συμβάλει στη μείωση του χρόνου ταξιδιού και της παραγωγής θερμότητας, αλλά μια δραματική αύξηση της ταχύτητας μπορεί να απαιτήσει αλλαγή στους νόμους της φυσικής.

Συμπέρασμα: Δεν μπορούμε να κάνουμε καλύτερα;

Αυτό εξηγεί γιατί ο σχεδιασμός ταχύτερων μάρκες είναι δύσκολος. Αλλά αυτά τα προβλήματα με το σχεδιασμό τσιπ είχαν κατακτηθεί πριν, έτσι; Γιατί δεν μπορούν να ξεπεραστούν ξανά με επαρκή έρευνα και ανάπτυξη;

Χάρη στους περιορισμούς της φυσικής και των σημερινών σχεδίων υλικών τρανζίστορ, η αύξηση της ταχύτητας ρολογιού δεν είναι προς το παρόν ο καλύτερος τρόπος για να αυξηθεί η υπολογιστική ισχύς. Σήμερα, οι μεγαλύτερες βελτιώσεις στην ισχύ προέρχονται από σχεδιασμούς επεξεργαστών πολλαπλών πυρήνων. Ως αποτέλεσμα, βλέπουμε μάρκες όπως οι πρόσφατες προσφορές της AMD, με δραματικά αυξημένο αριθμό πυρήνων. Ο σχεδιασμός του λογισμικού δεν έχει φτάσει ακόμα στην τάση αυτή, αλλά φαίνεται να είναι η πρωτεύουσα κατεύθυνση του σχεδιασμού των chip σήμερα.

Οι ταχύτερες ταχύτητες ρολογιού δεν σημαίνουν απαραίτητα ταχύτερους και καλύτερους υπολογιστές. Η ικανότητα των υπολογιστών μπορεί να αυξηθεί ακόμη και αν η ταχύτητα του ρολογιού του επεξεργαστή ξεπεράσει. Οι τάσεις στην επεξεργασία πολλαπλών πυρήνων θα παρέχουν μεγαλύτερη ισχύ επεξεργασίας στις ίδιες ταχύτητες με τις επικεφαλίδες, ειδικά όσο βελτιώνεται η παραλληλισμός του λογισμικού.

Πιστοποίηση εικόνας: ourworldindata.org