CPU hızını ne sınırlar?

102

Geçenlerde LaTeX derlemesi hakkında bir arkadaşımla konuştum. LaTeX derlemek için sadece bir çekirdek kullanabilir. Bu nedenle, LaTeX derlemesinin hızı için CPU'nun saat hızı çok önemlidir (En iyi LaTeX derleme performansı için donanım seçme ipuçları )

Meraktan en yüksek saat hızına sahip CPU'ları aradım. Sanırım en yüksek saat hızına sahip olan 4.4 GHz ( kaynak ) özellikli Intel Xeon X5698 idi .

Ancak bu soru satılan CPU'larla ilgili değil. Fiyatı umursamıyorsan, ne kadar hızlı olacağını bilmek isterim.

Yani bir soru şudur: CPU hızının fiziksel bir sınırı var mı? Ne kadar yüksek?

Ve diğer soru şudur: Şimdiye kadar ulaşılan en yüksek CPU hızı nedir?

CPU hızının sınırlı olduğunu düşündüm, çünkü soğutma ( ısı ) çok zorlaşıyor. Fakat arkadaşım bunun sebebi olduğundan şüpheleniyor (geleneksel / ucuz soğutma sistemlerini kullanmak zorunda olmadığınız zaman, örneğin bilimsel bir deneyde).

[2] 'de, iletim gecikmelerinin CPU hızında başka bir sınırlamaya neden olduğunu okudum . Ancak, ne kadar hızlı elde edebileceğinden bahsetmiyorlar.

Ne buldum

[1] Bilim adamları İşlemci Hızları için Temel Maksimum Sınırı Buluyor: Yalnızca kuantum bilgisayarlarla ilgili gibi görünüyor, ancak bu soru "geleneksel" işlemcilerle ilgili.
[2] Neden CPU hızı sınırlandırılıyor?

Benim hakkımda

Ben bir bilgisayar bilimi öğrencisiyim. CPU hakkında bir şey biliyorum ama çok fazla değil. Ve bu soru için önemli olabilecek fizik hakkında daha az şey. Bu yüzden lütfen mümkünse cevaplarınız için bunu aklınızda bulundurun.

cpu physics

— Martin Thoma
kaynak

10

Sorunuz hoş bir sorudur, çok iyi ve eğitimli cevaplar bekleyin. Benim iki kuruş: "Sadece bir çekirdekten kaçıyor" yazımı "->" saat en önemli "doğru değil.

— Vladimir Cravero

12

Hızaşırtılmış bir işlemcinin güncel kaydı , 8,4 GHz hızında çalışan AMD Buldozer . Sıvı azot kullanılarak soğutuldu.

— tcrosley

2

Sorunun başlığı "CPU hızını sınırlayan nedir?" "LaTeX'in derlemek için yalnızca bir çekirdeği kullanabileceği belirtilmelidir. Bu nedenle, LaTeX derlemesinin hızı için CPU'nun saat hızı en önemlisidir" mutlaka doğru değildir. CPU önbelleği de bir fark yaratabilir. Modern CPU'ların nasıl çalıştığından, aynı frekanslara sahip fakat farklı önbellek (ler) e sahip farklı CPU'lar olduğu ve yazılımın nasıl yazıldığı ve kullanıldığı ile birlikte CPU önbelleğinin yürütme hızı üzerinde daha büyük bir etkisi olabilir. CPU frekansı

— Shivan Dragon

2

Tek iplik performansı, saat hızı ile doğru orantılı değildir; ilişki daha karmaşık. Bu, sık sık artan maliyetlerin bir kısmını telafi eden mikro mimari gelişmelerle Intel x86 mikro mimarilerinin benzerliği ile kısmen maskelenebilir.

— Paul A. Clayton

9

2004 2GHz işlemcisini 2014 2GHz işlemcisiyle karşılaştırmanızı öneririm; Tek iş parçacıklı görevlerde bile aynı oyun parkında bulunmadıklarını ve her ikisi de aynı komut setini uyguladıklarında bile - bulacağınız CISC komutları bir şeydir, ancak bunlar mikro işlemlerdir içine oldukça başka.

— Charles Duffy,

76

Pratik olarak, CPU hızını sınırlayan şey hem üretilen ısıdır hem de geçit geciktirir, ancak genellikle, sıcaklık devreye girmeden önce çok daha büyük bir sorun haline gelir.

Son işlemciler CMOS teknolojisi kullanılarak üretilmektedir. Her zaman bir saat döngüsü olduğunda, güç harcanır. Bu nedenle, daha yüksek işlemci hızları daha fazla ısı dağılımı anlamına gelir.

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

İşte bazı rakamlar:

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

görüntü tanımını buraya girin

CPU geçiş gücünün nasıl arttığını gerçekten görebilirsiniz (katlanarak!).

Ayrıca, transistörlerin boyutu küçüldükçe ortaya çıkan bazı kuantum etkileri vardır. Nanometre seviyelerinde, transistör kapıları aslında “sızdıracak” hale gelir.

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

Bu teknolojinin burada nasıl çalıştığını anlamayacağım, ancak eminim bu konuları araştırmak için Google’ı kullanabilirsiniz.

Tamam, şimdi, iletim gecikmeleri için.

CPU içindeki her "tel" küçük bir kapasitör görevi görür. Ayrıca, transistörün tabanı veya MOSFET'in kapısı küçük kapasitörler olarak işlev görür. Bir bağlantıdaki voltajı değiştirmek için kabloyu şarj etmeli veya şarjı çıkarmalısınız. Transistörler küçüldükçe bunu yapmak daha zor hale gelir. Bu nedenle SRAM, amplifikasyon transistörlerine ihtiyaç duyar, çünkü aslında hafıza dizisi transistörleri çok küçük ve zayıftır.

Yoğunluğun çok önemli olduğu tipik IC tasarımlarında, bit hücrelerin çok küçük transistörleri vardır. Ek olarak, tipik olarak, çok büyük bit-hat kapasitanslarına sahip olan büyük diziler içine yerleştirilirler. Bu, bit çizgisinin bit hücresi tarafından çok yavaş (nispeten) deşarjı ile sonuçlanır.

Kimden: SRAM sens amplifikatörü nasıl uygulanır?

Temel olarak, önemli olan nokta, küçük transistörlerin ara bağlantılarını sürmek zorunda kalmasının zor olmasıdır.

Ayrıca, geçit gecikmeleri var. Modern CPU'ların ondan fazla boru hattı aşaması var, belki yirmi'ye kadar.

Boru Hatlarında Performans Sorunları

Ayrıca endüktif etkiler de vardır. Mikrodalga frekanslarında oldukça belirgin hale gelirler. Crosstalk ve benzeri şeylere bakabilirsin.

Şimdi, 3265810 THz işlemciyi çalıştırmayı başarsanız bile, bir diğer pratik sınır da sistemin geri kalanının ne kadar hızlı destekleyebileceği. RAM, depolama, yapıştırma mantığı ve aynı hızda çalışan diğer ara bağlantılara sahip olmalısınız ya da büyük bir önbelleğe ihtiyacınız var.

Bu yardımcı olur umarım.

— fuzzyhair2
kaynak

1

Sen nasıl saat hızı ve güç tüketimi hakkında güzel referanslar için bu tartışmanın bir bağlantı eklemek isteyebilirsiniz ilgilidir: physics.stackexchange.com/questions/34766/...

— Emiswelt

2

İletim gecikmeleri hakkında konuşurken göz önünde bulundurulması gereken elektrik hızı da var en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

— ryantm

Aslında katlanarak mı yoksa sadece dörtlü olarak mı artıyor? Aslında, bu video öyle diyor Power = Frequency ^ 1.74.

— Paul Manta

2

Bununla birlikte iyi bir nokta, CPU tasarımındaki en büyük zorluklardan biri ara bağlantılardır. Fiziksel olarak büyük bir çip mümkün olabilir, ancak bunların gigahertz aralığında çalıştığını unutmayın. Kabloları kısa tutmak istiyorsun.

— fuzzyhair2

2

Soru teorik olduğu için, Gallium arsenide gibi diğer yarı iletkenlerin daha yüksek frekanslara izin verdiği eklenebilir.

— Iacopo

32

Isı sorunu fuzzyhair tarafından iyi bir şekilde kaplanmıştır. İletim gecikmelerini özetlemek için şunu göz önünde bulundurun: Elektrik sinyalinin anakartı geçmesi için gereken zaman şimdi modern bir CPU'nun birden fazla saat döngüsünden daha fazladır . Yani daha hızlı CPU'lar yapmak çok fazla bir şey yapmayacak.

Süper hızlı bir işlemci, yalnızca büyük sayıdaki kırma işlemlerinde gerçekten yararlıdır ve daha sonra yalnızca kodunuz çipte çalışmak için dikkatli bir şekilde optimize edilmişse. Veriler için sıklıkla başka bir yere gitmek zorunda kalırsa, bu ekstra hız boşa harcanır. Günümüz sistemlerinde, görevlerin çoğu paralel olarak çalıştırılabilir ve büyük sorunlar birden fazla çekirdeğe bölünmüştür.

Lateks derleme işleminiz şu şekilde geliştirilecek gibi görünüyor:

daha hızlı G / Ç. Bir RAM diskini deneyin.
farklı çekirdeklerde farklı belgeler çalıştırma
200 sayfalık görüntü yoğun bir işin 2 saniyede yapılması beklenmiyor

— paul
kaynak

2

Çok kötü, sadece bir oy hakkım var. Cevabınız, OP'nin probleminde saat hızının darboğaz olamayacağına dikkat çekmeyi hak ediyor.

— Süleyman Yavaş

17

Üç fiziksel sınır vardır: Isı, kapı gecikmesi ve elektrik iletiminin hızı.

Şimdiye kadarki en yüksek saat hızında dünya rekoru ( bu bağlantıya göre ): 8722.78 MHz

Elektrik iletiminin hızı (yaklaşık olarak ışık hızı ile aynı) mutlak fiziksel sınırdır, çünkü hiçbir veri ortamından daha hızlı iletilemez. Aynı zamanda bu sınır çok yüksektir, bu yüzden genellikle sınırlayıcı bir faktör değildir.

CPU'lar, birkaçı birbiri ardına seri bağlanmış olan büyük miktardaki kapılardan oluşur. Yüksek durumdan (örneğin 1) düşük duruma (örneğin 0) veya tam tersine geçiş biraz zaman alır. Bu geçit gecikmesidir. Bu yüzden seri olarak bağlanmış 100 kapıya sahipseniz ve geçiş yapmak için 1 ns gerekiyorsa, her şeyin geçerli bir çıktı vermesi için en az 100 ns beklemeniz gerekir.

Bu anahtarlar bir CPU üzerindeki en fazla gücü alan şeydir. Bunun anlamı saat hızını arttırırsanız daha fazla anahtar elde edersiniz, böylece daha fazla güç kullanırsınız, böylece ısı çıkışını arttırır.

Aşırı voltaj (=> daha fazla güç sağlar) geçit gecikmesini biraz azaltır, ancak yine ısı çıkışını arttırır.

3 GHz civarında bir yerde saat hızına göre güç kullanımı son derece artar. Bu nedenle 1,5 GHz'lik bir CPU akıllı telefonda çalışabilirken 3-4 GHz'lik işlemcilerin çoğu bir dizüstü bilgisayarda bile çalıştırılamaz.

Ancak İşlemci Hızını artırabilen tek şey Saat Hızı değil, aynı zamanda boru hattındaki veya mikro kod mimarisindeki optimizasyonlar da önemli bir hızlanmaya neden olabilir. Bu nedenle 3 GHz Intel i5 (Dualcore), 3 GHz Intel Pentium D (Dualcore) ile çok daha hızlıdır.

— Dakkaron
kaynak

1

Sadece overclock işlemi CPU güç kullanımını doğrusal olarak arttırır. Yani saat hızını ikiye katlamak çift güç kullanımı anlamına gelir. Ancak daha yüksek saat hızlarında kapılar o saat hızıyla çalışmak için çok yavaşlar ve hesaplama hataları almaya başlarsınız -> rastgele çarpmalar. Bu yüzden kapıları hızlandırmak için voltajı arttırmanız gerekiyor. Güç kullanımı, gerilime göre kare ölçeklenir. Yani voltajı iki katına çıkarın, güç kullanımının dört katı demektir. Bunu, saati ikiye katlamak için ekleyin ve güç kullanımında sekiz kez kazanın. Ayrıca gerekli voltaj saat hızı ile üssel olarak artar. en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation

— Dakkaron

1

Buradaki diğer sorun, aşırı gerilimin CPU'nuzu kızartması ve buna karşı yapılabilecek hiçbir şey olmaması. Eğer CPU'nuz örneğin 3.3V için belirlenmişse, 3.7'ye veya hatta 4V'a kadar gidebilirsiniz ancak yüksek seviyeye çıkarsanız, sadece çipi yok eder.

— Okunmaya

3

İletim hızı olan bir sorun: 3GHz de sadece 10cm / döngüsü olsun. Tipik bir işlemci ölümü şu anda 300m² olduğundan, 10 GHz’den sonra işlemci tasarımını yeniden düşünmek zorunda kalacağımdan, muhtemelen çipin tüm parçalarına bir döngüde ulaşılamayacağına inanıyorum.

— Martin Schröder

1

@ MartinSchröder: Bu o kadar da önemli değil, çünkü (a) CPU, 10 GHz'e ulaşılmadan önce ısı ve geçit gecikmesi nedeniyle öldü ve (b) işlemciler her nesilde daha küçük hale geldi. Örneğin, hiper-uçlu 6-çekirdekli bir i7, tek çekirdekli bir Pentium 4 ile yaklaşık aynı boydadır. Ayrıca önbellek var. Ayrıca bu göbekler boru hattı fazlarına ayrılır. İşlemcinin yalnızca bir çekirdekteki ve bir boru hattı aşamasındaki (ve belki L1 önbellek) parçalarına bir döngüde ulaşılması gerekir.

— Dakkaron

1

@ com.prehensible Bağladığınız gönderi aslında bu 500GHz transistörün, analog RF işlemesi için kullanılan bir analog transistör "sadece" olduğu gerçeğinden özellikle bahseder. Hiçbir şekilde bir bilgisayar işlemcisi değildir.

— Dakkaron

5

r = 5.291 \times 10^{- 11}

$r = 5.291\times 10^{-11}$

c = 3 \times 10^{8},

$c = 3 \times 10^8,$

F = \frac{1}{t} = \frac{c}{2} π r = 9.03 \times 10^{17} Hz

$F = \frac{1}{t} = \frac{c}{2} \pi r = 9.03\times 10^{17}\text{Hz}$

8 \times 10^{9} Hz

$8\times 10^9\text{Hz}$

— Guill
kaynak

LaTeX'inizde birkaç düzenleme yaptım. Lütfen frekans düzenlemesinin doğru olup olmadığını kontrol edebilir misiniz?

— Martin Thoma

Mevcut teknoloji limitinin durumunu nasıl buldunuz?

— Martin Thoma

Geçerli sınırın "8x 10 ^ 9 Hz" olduğunu yazıyorsunuz. X nedir? Sonunda çarpma noktası yazmak istediniz mi?

— Martin Thoma

1

Ayrıca mümkün olan en hızlı bilgisayarı, maksimum etki için bir kara deliğin Schwarzschild yarıçapı üzerine inşa edeceksiniz. Bohr yarıçapı, yüksek hızlarda çalışmak için büyük bir yoldur. :)

— Goswin von Brederlow,

3

Yani bir soru şudur: CPU hızının fiziksel bir sınırı var mı?

Bu büyük ölçüde CPU'nun kendisine bağlı. İmalat toleransları, fiziksel sınırın aynı yongadan bile her yonga için biraz farklı olmasıyla sonuçlanır.

iletim gecikmeleri CPU hızında başka bir sınırlamaya neden olur. Ancak, ne kadar hızlı elde edebileceğinden bahsetmiyorlar.

Bunun nedeni olduğunu transmission delayveya speed path lengthyapmak için çip tasarımcısı bir seçimdir. Özetle, mantığın tek bir saat döngüsünde ne kadar çalıştığıdır . Daha karmaşık mantık daha yavaş maksimum saat hızlarına neden olur, ancak daha az güç kullanır.

Bu nedenle CPU'ları karşılaştırmak için bir kıyaslama kullanmak istiyorsunuz. Döngü başına iş sayısı oldukça farklıdır, bu nedenle ham MHz'yi karşılaştırmak size yanlış bir fikir verebilir.

— Turbo J
kaynak

2

: Pratik olarak, geriliminin karesi ile yaklaşık olarak orantılıdır termal enerji definiteley olan http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Her malzeme soğutma etkisine sınırlandıran özgül ısı kapasitesine sahiptir.
Soğutma ve iletim gecikmesi konusundaki teknik sorunları göz önüne almazsanız, bir sinyalin saniyede CPU'muzda gidebileceği mesafeyi sınırlayan ışığın hızını bulacaksınız. Bu nedenle, işlemci daha hızlı çalışırsa samller'a ulaşmalıdır. Son olarak, belirli bir frekansın ötesinde çalışıyorsa, cpu elektronik dalga fonksiyonları için şeffaf hale gelebilir (Schroedinger denklemini izleyen dalga fonksiyonları olarak modellenen elektronlar).
2007 yılında bazı fizikçiler çalışma hızları için temel bir limit getirdi:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

— Lars Hadidi
kaynak

0

Tüm diğer cevapların yanı sıra, CPU hızını doğrudan etkilemeyen fakat bu CPU etrafında bir şey inşa etmeyi oldukça zorlaştıran birkaç başka husus var;

Kısacası, DC'nin üzerinde, radyo frekansı bir sorun haline geliyor. Ne kadar hızlı gidersen, her şey o kadar eğimlidir, dev bir radyo gibi davranmak. Bu, PCB izlerinin çarpışma, komşu izler / yer düzlemi, gürültü vb.

Ne kadar hızlı giderseniz, tüm bu kötüleşir - bileşen bacaklar örneğin kabul edilemez endüktansa neden olabilir.

Bazı DDR RAM ile bir Ahududu Pi seviyesindeki "temel" PCB'lerin düzenlenmesiyle ilgili kılavuzlara bakarsanız, veri yolu vb. İçin tüm izlerin eşit uzunlukta olması, doğru sonlandırmaya vb. 1 GHz’in altında çalışıyor.

— John U
kaynak