Nếu tốc độ sạc điện không thay đổi, làm thế nào để máy tính trở nên nhanh hơn?

Mọi người đều biết tốc độ điện toán đã tăng mạnh kể từ khi phát minh của họ, và có vẻ như nó sẽ tiếp tục. Nhưng có một điều làm tôi bối rối: nếu bạn chạy một dòng điện qua một vật liệu ngày hôm nay, nó sẽ truyền đi với tốc độ giống như khi bạn làm nó với cùng một vật liệu 50 năm trước.

Với ý nghĩ đó, làm thế nào máy tính trở nên nhanh hơn? Khu vực chính của thiết kế bộ xử lý là gì đã cho những sự gia tăng tốc độ đáng kinh ngạc này?

Tôi nghĩ có lẽ nó có thể là một hoặc nhiều điều sau đây:

• Bộ xử lý nhỏ hơn (khoảng cách ít hơn cho dòng điện di chuyển, nhưng dường như tôi chỉ có thể kiếm được lợi nhuận cận biên ở đây).
• Vật liệu tốt hơn

nếu bạn chạy một dòng điện qua một vật liệu ngày hôm nay, nó sẽ truyền với tốc độ giống như khi bạn làm nó với cùng một vật liệu 50 năm trước.

Với ý nghĩ đó, làm thế nào máy tính trở nên nhanh hơn? Khu vực chính của thiết kế bộ xử lý là gì đã cho những sự gia tăng tốc độ đáng kinh ngạc này?

Bạn nhận được kết luận sai lầm vì giả thuyết ban đầu của bạn là sai: bạn nghĩ rằng tốc độ CPU tương đương với tốc độ của các điện tử trong CPU.

Trong thực tế, CPU là một số logic kỹ thuật số đồng bộ. Giới hạn cho tốc độ của nó là đầu ra của một phương trình logic sẽ ổn định trong một khoảng thời gian. Với logic được thực hiện với các bóng bán dẫn, giới hạn chủ yếu được liên kết với thời gian cần thiết để thực hiện chuyển đổi bóng bán dẫn. Bằng cách giảm kích thước kênh của họ, chúng tôi có thể làm cho họ chuyển đổi nhanh hơn. Đây là lý do chính để cải thiện tần số tối đa của CPU trong 50 năm. Hôm nay, chúng tôi cũng sửa đổi hình dạng của các bóng bán dẫn để tăng tốc độ chuyển đổi của chúng, nhưng, theo tôi biết , chỉ có Intel, Global Foundries và TSMC có thể tạo ra FinFET ngày nay.

Tuy nhiên, có một số cách khác để cải thiện tốc độ xung nhịp tối đa của CPU: nếu bạn chia phương trình logic của mình thành nhiều phương trình nhỏ hơn, bạn có thể thực hiện từng bước nhanh hơn và có tốc độ xung nhịp cao hơn. Bạn cũng cần nhiều thời gian đồng hồ hơn để thực hiện hành động tương tự, nhưng, bằng cách sử dụng các kỹ thuật đường ống , bạn có thể thực hiện tốc độ hướng dẫn mỗi giây theo tốc độ đồng hồ của mình.

Ngày nay, tốc độ của các điện tử đã trở thành giới hạn: ở mức 10GHz, tín hiệu điện không thể được truyền trên hơn 3cm. Đây là khoảng kích thước của bộ xử lý hiện tại. Để tránh vấn đề này, bạn có thể có một số miền đồng bộ độc lập trong chip của mình, giảm các ràng buộc về việc truyền tín hiệu. Nhưng đây chỉ là một yếu tố hạn chế, trong số các tốc độ chuyển đổi bóng bán dẫn, tản nhiệt, EMC và có lẽ là các yếu tố khác (nhưng tôi không làm trong ngành công nghiệp đúc silicon).

Có rất nhiều biến số phức tạp ảnh hưởng đến tốc độ CPU tổng thể, nhưng một biến số chính là tốc độ xung nhịp tăng vào giữa những năm 2000 và sau đó được làm phẳng do các giới hạn vật lý. Tiêu thụ điện năng trên mỗi chip cũng tăng trong khoảng thời gian đó để bù cho tổn thất / rò rỉ chip. Các chip CPU trở nên quá nóng và công nghệ làm mát trở nên quan trọng hơn và không thể áp dụng nhiều công suất hơn (mà không làm tan chảy chúng theo nghĩa đen!).

Extremetech.com đưa ra một cuộc khảo sát thú vị chỉ ra rằng định luật Moore được cho là thực sự chủ yếu được thúc đẩy bởi quy mô Dennard . Sau này sụp đổ vào giữa những năm 2000. Có nhiều yếu tố / cải tiến thiết kế khác liên quan đến "tốc độ" của chip (trong đó "tốc độ" được đo bằng thời gian thực thi mã tổng thể và không chỉ tốc độ xung nhịp) có xu hướng che dấu điểm uốn trong khả năng phần cứng như bộ nhớ cache, song song CPU / đa lõi , dự đoán nhánh, v.v., được thêm vào với chiều rộng cổng nhỏ hơn (và do đó nhiều cổng hơn trên mỗi chip cho chức năng bổ sung). Độ rộng cổng cũng có xu hướng ngừng giảm hoặc ít nhất là giảm nhanh hơn mỗi thế hệ.

Tại sao những xu hướng hạn chế này không được biết đến nhiều? Một số thực thể có kiến ​​thức nhất về các xu hướng này "có nhiều thứ để mất nhất" và thực sự ít có khả năng công khai chúng nhất. Ví dụ, Intel, trị giá hàng tỷ đô la, sẽ không thể xuất bản dữ liệu nội bộ độc quyền chỉ ra các giới hạn hoặc giảm hiệu suất trong tương lai.

Có những khả năng mới có thể dẫn đến những xu hướng hoàn toàn mới (nhưng một số liên quan đến công nghệ / kỹ thuật sản xuất gần như hoàn toàn khác nhau) bao gồm chip quang tử, chip 3 chiều trong đó chip được đặt trong nhiều lớp, điện toán lượng tử, công nghệ nano như ống nano bóng bán dẫn, vv

Đoàn đến Bộ xử lý bổ sung

Một xem xét khác (ngoài các câu trả lời tuyệt vời khác) là sự phân công nhiệm vụ cho các bộ xử lý khác. Trong những ngày đầu tính toán, chỉ có một bộ xử lý. Đối với đồ họa, tính toán được chia sẻ với các tính toán khác trong cùng CPU. Bây giờ, chúng tôi có bộ xử lý riêng để xử lý đồ họa.

Nhiều lõi

Nhiều bộ xử lý hiện đại có nhiều lõi, trong cùng một miếng silicon. Bởi vì chúng chia sẻ cùng một miếng silicon, chúng không ảnh hưởng nhiều bằng việc làm chậm chip sang lõi / bộ xử lý khác. Ví dụ: Bộ xử lý đồ họa.

Mở rộng bộ nhớ và địa chỉ

Các bộ vi xử lý 8 bit đầu tiên có phạm vi địa chỉ nhỏ hơn các bộ xử lý 32 bit và 64 bit ngày nay. Các bộ xử lý hiện đại có phạm vi bộ nhớ tăng lên, có nghĩa là có thể thực hiện nhiều tính toán hơn trong bộ nhớ thay vì phải truy cập bộ nhớ ngoài.

Điều này cũng áp dụng cho bộ nhớ trên chip. Không gian địa chỉ lớn hơn cho phép các bộ nhớ lớn hơn gần lõi trung tâm hơn, trong khi vẫn để lại một không gian địa chỉ lớn bên ngoài silicon.

Đường ống và bộ đệm

Với bộ nhớ ngày càng rẻ hơn, các máy tính hiện đại hiện đang triển khai các đường ống dữ liệu và hướng dẫn phức tạp hơn cũng như bộ nhớ dữ liệu và hướng dẫn. Điều này tăng tốc độ thực thi bằng cách giảm nhu cầu tìm nạp từ bộ nhớ chậm hơn (bên ngoài silicon) vào bộ đệm trong. Một số bộ xử lý có khả năng chứa forcác vòng lặp trong bộ đệm hướng dẫn của chúng.

Tóm lược

Máy tính ngày nay nhanh hơn rất nhiều, không chỉ nhờ những tiến bộ trong công nghệ bóng bán dẫn và silicon, mà còn do sự phân công nhiệm vụ cho các bộ xử lý / lõi khác. Bộ nhớ trở nên nhanh hơn và rẻ hơn cho phép bộ xử lý có nhiều bộ nhớ gần với CPU. Phạm vi địa chỉ cho phép nhiều bộ nhớ hơn có nghĩa là ít tìm nạp vào bộ nhớ ngoài. Kích thước thanh ghi lớn hơn cho phép tìm nạp nhiều dữ liệu hơn trong mỗi chu kỳ (4 byte với hệ thống 32 bit, 1 byte với hệ thống 8 bit). Nhiều lõi cho phép các hoạt động song song thay vì tuần tự hóa chúng.

Hầu như tất cả các tiến bộ về tốc độ máy tính đến từ một trong những lĩnh vực sau:

Transitor nhỏ hơn

Hai điều kết quả từ việc làm cho bóng bán dẫn nhỏ hơn:

1. Chúng gần nhau hơn về mặt vật lý, do đó thời gian để tín hiệu điện truyền từ nguồn tới đích nhỏ hơn. Vì vậy, mặc dù tín hiệu điện không truyền đi nhanh hơn 50 năm trước, chúng thường di chuyển quãng đường ngắn hơn bây giờ .
2. Nhiều bóng bán dẫn có thể được bao gồm trên một con chip, điều đó có nghĩa là có thể thực hiện được nhiều "công việc" hơn cùng một lúc. Càng nhiều bóng bán dẫn được thêm vào, càng khó tìm ra công việc hữu ích để họ làm, nhưng nhiều thủ thuật thông minh được sử dụng (xem bên dưới).

Thêm "công việc hữu ích" theo hướng dẫn

Ví dụ, một số bộ xử lý thiếu hướng dẫn để nhân hoặc chia số nguyên; thay vào đó, nhiệm vụ này phải được thực hiện với các thói quen phần mềm chậm. Thêm nhân và chia hướng dẫn tăng tốc mọi thứ lên đáng kể. Thêm hướng dẫn dấu phẩy động có thể tăng tốc phần mềm yêu cầu số dấu phẩy động.

Một cách quan trọng để thực hiện nhiều "công việc hữu ích" hơn cho mỗi hướng dẫn là tăng kích thước từ . Các CPU có thể thực hiện các hoạt động trên các số 32 bit thường yêu cầu ít hướng dẫn hơn để thực hiện cùng một tác vụ như CPU ​​16 bit hoặc 8 bit.

Một số bộ xử lý hỗ trợ các hướng dẫn thực hiện một số việc cùng một lúc, đặc biệt là các hướng dẫn thực hiện cùng một thao tác trên nhiều mục dữ liệu ( SIMD ).

Thêm hướng dẫn cho mỗi chu kỳ

"Chu kỳ đồng hồ" là cách bộ xử lý chuyển từ trạng thái hiện tại sang trạng thái tiếp theo. Theo một nghĩa nào đó, nó là đơn vị công việc nhỏ nhất mà bộ xử lý có thể làm tại một thời điểm. Tuy nhiên, số chu kỳ đồng hồ mà một lệnh cụ thể thực hiện tùy thuộc vào thiết kế của bộ xử lý.

Với sự ra đời của các bộ xử lý pipelined , có thể có các hướng dẫn riêng biệt để "chồng chéo", tức là một bộ xử lý sẽ bắt đầu trước khi bộ xử lý trước kết thúc. Tuy nhiên, một số lệnh nhất định có thể làm mất hiệu lực lệnh tiếp theo, sẽ không được biết cho đến khi lệnh tiếp theo được thực thi một phần, do đó mọi thứ có thể trở nên phức tạp. (Bộ xử lý Pipelined bao gồm logic để đảm bảo mọi thứ hoạt động tốt, nhưng đặc điểm hiệu năng phức tạp hơn.)

Các bộ xử lý Superscalar đưa điều này lên cấp độ tiếp theo, theo nghĩa đen cho phép hai lệnh thực thi cùng một lúc và thực thi không theo thứ tự sẽ tiến thêm một bước, cho phép các lệnh được thực hiện không theo thứ tự. Các tính năng này yêu cầu phân tích luồng hướng dẫn, tìm ra các hướng dẫn không xung đột với nhau.

Mặc dù có những thủ thuật khác (ví dụ như dự đoán chi nhánh , thực hiện đầu cơ ), điều quan trọng hơn là bức tranh tổng thể:

• mỗi hướng dẫn cần một số chu kỳ đồng hồ nhất định để hoàn thành (không nhất thiết là hằng số)
• nhưng nhiều hướng dẫn có thể được tiến hành cùng một lúc
• do đó, có một " hướng dẫn trên mỗi chu kỳ " có thể đo lường được> 1 cho các bộ xử lý cao cấp
• nhưng nó phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng công việc

Nhiều chu kỳ hơn mỗi giây

Nói cách khác, tốc độ xung nhịp cao hơn . Tăng tốc độ xung nhịp không chỉ làm tăng nhiệt sinh ra mà còn đòi hỏi thiết kế chip kỷ luật hơn nhiều, bởi vì có giới hạn thời gian nhỏ hơn để mạch ổn định. Chúng tôi đã có rất nhiều dặm trong số này cho đến những năm 2000 khi chúng tôi đạt được một số giới hạn thực tế.

Dữ liệu ở đúng nơi, đúng thời điểm

Mặc dù các thành phần trong CPU đã ngày càng gần nhau hơn do các bóng bán dẫn bị thu hẹp, CPU và RAM vẫn cách nhau 5-10cm. Nếu một lệnh cần một cái gì đó từ RAM, thì lệnh đó sẽ không mất 5 hoặc 6 chu kỳ để hoàn thành, nó sẽ mất khoảng 200. Đây là vấn đề thắt cổ chai von Neumann .

Vũ khí chính của chúng tôi chống lại điều này là bộ nhớ cache . Dữ liệu được truy cập gần đây có nhiều khả năng được truy cập lại, do đó, nó được lưu trong bộ nhớ đặc biệt (được gọi là bộ đệm) nằm trong chip CPU, giúp truy cập nhanh hơn nhiều.

Tuy nhiên, các kỹ thuật khác (như dự đoán đường ống và dự đoán nhánh ) giúp bằng cách cho phép bộ xử lý thực hiện công việc hữu ích trong khi chờ dữ liệu đến và cũng dự đoán dữ liệu nào có thể cần sớm.

Bộ xử lý nhiều và / hoặc chuyên dụng

Viết phần mềm cho một bộ xử lý đơn giản hơn nhiều bộ xử lý. Tuy nhiên, đôi khi các lợi ích hiệu suất / chi phí / điện năng làm cho nó đáng giá.

Ngoài ra, một số bộ xử lý đặc biệt phù hợp với các tác vụ nhất định. Chẳng hạn, GPU được thiết kế riêng cho các tính toán cần thiết để hiển thị các hiệu ứng và đồ họa 2D và 3D.

Bộ xử lý đa lõi về cơ bản là nhiều bộ xử lý trên một chip.

Khi máy tính có thể tính toán nhiều hơn trên mỗi đơn vị thời gian, chúng được coi là nhanh hơn. Mỗi tính toán có thể không được thực hiện nhanh hơn trước, nhưng có nhiều tính toán được thực hiện. Một sự tương tự tốt sẽ là số bước mà một người chạy. Nếu một người chạy hành xử theo luật của Moore, người chạy sẽ có thể thực hiện gấp đôi số bước mỗi hai năm. Về bản chất, người chạy sẽ có khoảng cách gấp đôi trong cùng khoảng thời gian mà người chạy đã làm cách đây hai năm. Khoảng cách chia cho thời gian bằng tốc độ. 2 X Khoảng cách bằng 2 X Tốc độ.

Sức mạnh xử lý của máy tính / CPU thực sự là điện di chuyển nhanh như thế nào mà thay vào đó có thể bật và tắt nhanh như thế nào. Bạn có thể chuyển đổi giữa dòng chảy và dòng chảy càng nhanh, bạn càng có thể xử lý nhiều thông tin hơn trong một cpu hoặc truyền xuống dòng.

Đối với các bộ xử lý điển hình được sử dụng trong PC, tản nhiệt là yếu tố hạn chế trong hơn một thập kỷ, trong đó các bộ xử lý làm mát bằng không khí trong PC đã bị giới hạn ở mức khoảng 4 ghz. Làm mát bằng nước làm tăng điều này lên khoảng 5 ghz và làm mát bằng nitơ đã được sử dụng để đẩy tốc độ đồng hồ lên khoảng 6 ghz đến 6,5 ghz.

Tốc độ xung nhịp về cơ bản là một hàm của điện áp so với kích thước logic mạch (mất bao lâu để chuyển đổi trạng thái). Điện áp càng cao hoặc logic mạch càng nhỏ thì tốc độ càng nhanh, nhưng điều này thể hiện vấn đề tản nhiệt vì mật độ thường tăng cùng với việc giảm kích thước logic mạch. Với mật độ cao, không còn nhiều chỗ cho vật liệu dẫn nhiệt để tản nhiệt. Giảm mật độ làm tăng chi phí, và cũng làm tăng độ trễ lan truyền do chiều dài của mạch dài hơn.

CPU đã không nhanh hơn nhiều trong vài năm qua, Intel i7 4790K hiện tại (4.0 ghz, 4.4 ghz turbo) không nhanh hơn nhiều so với Intel i7 2700K thế hệ thứ hai (3.5 ghz, 3.9 ghz turbo), khác so với tốc độ xung nhịp nhanh hơn (nhanh hơn khoảng 14,3%). Mặt khác, vì đồ họa 3d có thể tận dụng các hoạt động song song, thẻ video đã tăng hiệu suất lên khoảng 3 trong 4 hoặc 5 năm qua, một số có tương đương hơn 3.000 lõi phụ.

Mặc dù các câu trả lời đã được đưa ra là tốt, nhưng tất cả chúng có vẻ rất phức tạp!

Câu trả lời "TLDR" nhanh là "số cổng logic" và "cổng logic đó có thể chạy nhanh đến mức nào". Hãy nghĩ về các cổng logic như 1s và 0. Đây chỉ là một bóng bán dẫn / ống tiêm / bất cứ thứ gì bật hoặc tắt. 1 là 0 là tắt.

Điện không di chuyển nhanh hơn hay chậm hơn, nhưng bạn có thể nhồi nhét thêm nhiều số và số 0 vào chip của mình vì bản thân và số không nhỏ hơn. Và bạn có thể làm cho chúng lật nhanh hơn theo thời gian. Điều đó làm cho một câu trả lời đơn giản hơn một chút?

Hai yếu tố lớn nhất cho đến nay là thực tế là các bóng bán dẫn đã bị thu hẹp bởi một mức độ vô lý và do đó chúng ta có điện thoại thông minh với hơn một tỷ bóng bán dẫn, và thực tế là việc chuyển đổi một bóng bán dẫn từ trạng thái này sang trạng thái khác đã trở nên nhanh hơn rất nhiều. Việc chuyển đổi nhanh hơn chuyển trực tiếp sang tốc độ cao hơn. Số lượng bóng bán dẫn cao hơn tăng tốc độ gián tiếp vì nó là một yếu tố thúc đẩy nhiều cải tiến khác đang được đề cập: Chúng tôi có bộ nhớ cache vì chúng tôi có nhiều bóng bán dẫn hơn. Chúng tôi có nhiều thanh ghi hơn và lớn hơn bởi vì chúng tôi có nhiều bóng bán dẫn hơn. Chúng tôi có hướng dẫn vector bởi vì chúng tôi có nhiều bóng bán dẫn hơn. Chúng tôi có bộ xử lý kép, lõi tứ hoặc mười lõi vì chúng tôi có nhiều bóng bán dẫn hơn.

Ở một mức độ nhỏ hơn nhiều, chúng tôi đã cải thiện tốc độ vì thiết kế tốt hơn. Ví dụ: hệ số nhân không chỉ nhanh hơn vì chúng ta có nhiều bóng bán dẫn hơn mà vì chúng ta sử dụng các phương pháp tốt hơn. Dự đoán chi nhánh đã được cải thiện ngoài việc có sẵn nhiều bóng bán dẫn hơn. Nhưng tất cả trong tất cả, đây là một hiệu ứng nhỏ so với sức mạnh vũ phu của một tỷ bóng bán dẫn.

(Bộ xử lý trong máy Mac đầu tiên được gọi là bộ xử lý Motorola 68000 vì nó có 68000 bóng bán dẫn. Một chiếc iPad mới có khoảng 20.000 lần nữa).

Tôi là một kỹ sư cơ khí, vì vậy tôi không biết điều này ảnh hưởng đến tốc độ của bộ xử lý như thế nào hoặc liệu nó có trở thành yếu tố hạn chế hay không, nhưng vật lý đằng sau nó là âm thanh. Độ tự cảm và điện dung của mạch sẽ ảnh hưởng đến việc tín hiệu điện áp số có thể tăng và giảm nhanh như thế nào - do đó ảnh hưởng đến tốc độ chuyển mạch. Lý tưởng nhất là các tín hiệu chuyển mạch sẽ là sóng vuông đẹp. Trong thực tế, chúng bị biến dạng nhẹ và dốc ở các cạnh. Các tín hiệu phải tăng cao và đủ cao để đọc trước chu kỳ xung nhịp tiếp theo. Về cơ bản, sóng tín hiệu cần một "điểm phẳng" ở trên cùng. Nếu bạn chuyển đổi quá nhanh, bạn sẽ nhận được nhiều tín hiệu sóng nhọn hơn. Những người quen thuộc hơn với tín hiệu số có thể làm rõ nếu cần, nhưng ý tưởng là đúng.