Der var engang engang, da CPU-clockhastigheden steg dramatisk fra år til år. I 90'erne og begyndelsen af ​​2000'erne steg processorerne med utrolige hastigheder, skød fra 60 MHz Pentium-chips til gigahertz-niveau processorer inden for et årti.

Nu ser det ud til, at selv high-end-processorer har stoppet med at øge deres clockhastigheder. Dedikerede overclockere kan tvinge det bedste silicium til omkring 9 GHz med flydende nitrogenkølesystemer, men for de fleste brugere er 5 GHz en grænse, der endnu ikke er bestået.

Intel havde engang planer om at nå en 10 GHz processor, men det er stadig utilgængeligt i dag som det var for ti år siden. Hvorfor ophørte processorklokkehastigheden stigende? Vil processorhastigheden begynde at stige igen, eller har den tid gået?

Hvorfor CPU Clock Speed ​​ikke øger: Varme og Power

Som vi ved fra Moores lov, krymper transistorstørrelsen regelmæssigt. Det betyder, at flere transistorer kan pakkes ind i en processor. Det betyder typisk større bearbejdningskraft. Der er også en anden faktor i spil, kaldet Dennard-skalering. Dette princip fastslår, at den strøm, der er nødvendig for at køre transistorer i et bestemt enhedsvolumen, forbliver konstant, ligesom antallet af transistorer stiger.

Men vi er begyndt at støde på grænserne for Dennard-skalering, og nogle er bekymrede over, at Moores lov er ved at bremse. Transistorer er blevet så små, at Dennard skalering ikke længere holder. Transistorer krymper, men den nødvendige kraft til at køre dem øges.

Termiske tab er også en vigtig faktor i chipdesign. Cramming milliarder af transistorer på en chip og slå dem til og fra tusindvis af gange per sekund skaber et ton af varme. Denne varme er dødelig for høj præcision og højhastighedskisel. Denne varme skal gå et sted, og der kræves ordentlige køleopløsninger og chipdesign for at opretholde rimelige urhastigheder. Jo flere transistorer der tilføjes, desto mere robust skal kølesystemet være for at imødekomme den øgede varme.

Forøgelse af urets hastigheder indebærer også en spændingsforøgelse, hvilket fører til en kubisk stigning i strømforbruget til chippen. Så som klokkens hastighed går op, genereres mere varme, hvilket kræver mere kraftfulde køleopløsninger. Kørsel af disse transistorer og stigende clockhastigheder kræver mere spænding, hvilket fører til dramatisk større strømforbrug. Så vi forsøger at øge urens hastighed, og vi finder, at varme og strømforbrug stiger dramatisk. I sidste ende øges effektbehovet og varmeproduktionens udgangshastighed.

Hvorfor CPU Clock Speed ​​er ikke stigende: Transistor problemer

Transistor design og sammensætning forhindrer også de hurtige headline-hastigheder, vi engang så. Mens transistorer pålideligt bliver mindre (vidner om krympende processtørrelser over tid), fungerer de ikke hurtigere. Transistorer er typisk blevet hurtigere, fordi deres porte (den del, der bevæger sig som reaktion på strømmen) er blevet tyndere. Men siden Intels 45nm-proces er transistorporten ca. 0, 9nm tyk eller om bredden af ​​et enkelt siliciumatom. Mens forskellige transistormaterialer kan tillade hurtigere portoperationer, øges den hurtige hastighed, vi engang havde, sandsynligvis væk.

Transistorhastigheden er også ikke den eneste faktor i urens hastighed længere. I dag er ledningerne, som forbinder transistorerne, også en stor del af ligningen. Som transistorer krymper, så gør ledningerne forbinder dem. Jo mindre ledningerne er, desto større er impedansen og sænker strømmen. Smart routing kan bidrage til at reducere rejsetid og varmeproduktion, men en dramatisk hastighedsforøgelse kan kræve en ændring af fysikkens love.

Konklusion: Kan vi ikke gøre det bedre?

Det forklarer bare, hvorfor designe hurtigere chips er svært. Men disse problemer med chip design blev erobret før, ikke? Hvorfor kan de ikke overvindes igen med tilstrækkelig forskning og udvikling?

Takket være begrænsningerne i fysik og de nuværende transistormaterialedesigner er øget klokkehastighed ikke i øjeblikket den bedste måde at øge beregningsstyrken på. I dag kommer større strømforbedringer fra multi-core processor design. Som et resultat ser vi chips som AMDs seneste tilbud, med et dramatisk øget antal kerner. Software design er endnu ikke ramt af denne tendens, men det ser ud til at være den primære retning af chip design i dag.

Hurtigere clockhastigheder betyder ikke nødvendigvis hurtigere og bedre computere. Computer kapacitet kan stadig øges, selvom processorens clock speed platformer. Udviklingen i multi-core-behandling vil give større proceskraft ved de samme overskriftshastigheder, især som softwareparallellisering forbedres.

Billedkredit: ourworldindata.org