Điều gì giới hạn tốc độ CPU?

102

Gần đây tôi đã nói chuyện với một người bạn về việc biên soạn LaTeX. LaTeX chỉ có thể sử dụng một lõi để biên dịch. Vì vậy, đối với tốc độ tổng hợp LaTeX, tốc độ xung nhịp của CPU là quan trọng nhất (xem Mẹo để chọn phần cứng để có hiệu suất biên dịch LaTeX tốt nhất )

Vì tò mò, tôi đã tìm kiếm CPU có tốc độ xung nhịp cao nhất. Tôi nghĩ rằng đó là Intel Xeon X5698 với 4,4 GHz ( nguồn ) có tốc độ xung nhịp cao nhất.

Nhưng câu hỏi này không phải là về CPU được bán. Tôi muốn biết nó có thể nhanh đến mức nào nếu bạn không quan tâm đến giá cả.

Vì vậy, một câu hỏi là: Có giới hạn vật lý cho tốc độ CPU không? Nó cao bao nhiêu?

Và câu hỏi khác là: tốc độ CPU cao nhất đạt được là bao nhiêu?

Tôi đã luôn nghĩ rằng tốc độ CPU bị hạn chế vì việc làm mát (rất nóng ) trở nên rất khó khăn. Nhưng bạn tôi nghi ngờ rằng đây là lý do (khi bạn không phải sử dụng hệ thống làm mát truyền thống / rẻ tiền, ví dụ như trong một thí nghiệm khoa học).

Trong [2] Tôi đã đọc rằng sự chậm trễ truyền dẫn gây ra một hạn chế khác về tốc độ CPU. Tuy nhiên, họ không đề cập đến việc nó có thể nhanh như thế nào.

Những gì tôi đã tìm thấy

[1] Các nhà khoa học tìm thấy giới hạn tối đa cơ bản cho tốc độ xử lý : Có vẻ như chỉ là về máy tính lượng tử, nhưng câu hỏi này là về CPU "truyền thống".
[2] Tại sao có giới hạn về tốc độ CPU?

Về tôi

Tôi là một sinh viên khoa học máy tính. Tôi biết vài thứ về CPU, nhưng không quá nhiều. Và thậm chí ít hơn về vật lý có thể quan trọng cho câu hỏi này. Vì vậy, hãy ghi nhớ điều đó cho câu trả lời của bạn, nếu có thể.

cpu physics

— Martin Thoma
nguồn

10

Câu hỏi của bạn là một câu hỏi hay, mong đợi một số câu trả lời rất hay và có giáo dục. Hai xu của tôi: hàm ý "nó chỉ chạy một lõi" -> "đồng hồ là quan trọng nhất" là không đúng.

— Vladimir Cravero

12

Kỷ lục hiện tại cho CPU được ép xung là AMD Bulldozer, chạy ở tốc độ 8.4 GHz . Nó được làm mát bằng cách sử dụng nitơ lỏng.

— tcrosley

2

Mặc dù tiêu đề của câu hỏi là "Điều gì giới hạn tốc độ CPU?" cần lưu ý rằng tuyên bố: "LaTeX chỉ có thể sử dụng một lõi để biên dịch. Vì vậy, đối với tốc độ tổng hợp LaTeX, tốc độ xung nhịp của CPU là quan trọng nhất" không nhất thiết đúng. Bộ nhớ cache CPU cũng có thể tạo ra sự khác biệt. Do cách thức hoạt động của CPU hiện đại, kết hợp với thực tế là có các CPU khác nhau có tần số giống nhau nhưng kích thước (các) bộ đệm khác nhau và cách phần mềm được viết và sử dụng, bộ đệm CPU có thể có ảnh hưởng lớn hơn đến tốc độ thực thi so với Tần số CPU.

— Shivan Dragon

2

Hiệu suất đơn luồng không tỷ lệ thuận với tốc độ xung nhịp; mối quan hệ phức tạp hơn. Điều này có thể được che dấu một phần bởi sự giống nhau của các cấu trúc vi mô Intel x86 gần đây với các cải tiến vi kiến trúc bù cho một số chi phí trong tần suất tăng dần.

— Paul A. Clayton

9

Tôi đề nghị so sánh bộ xử lý 2004 2GHz với bộ xử lý 2GHz 2014; bạn sẽ thấy rằng chúng không ở trong cùng một sân bóng ngay cả trên các tác vụ đơn luồng và ngay cả khi cả hai thực hiện cùng một tập lệnh - các hướng dẫn CISC mà chúng được cho ăn là một điều, nhưng các thao tác vi mô này đã bị hỏng thành khá khác.

— Charles Duffy

76

Trên thực tế, những gì giới hạn tốc độ CPU là cả nhiệt được tạo ra và độ trễ của cổng, nhưng thông thường, nhiệt trở thành vấn đề lớn hơn nhiều trước khi khởi động.

Bộ xử lý gần đây được sản xuất bằng công nghệ CMOS. Mỗi khi có một chu kỳ đồng hồ, năng lượng bị tiêu tan. Do đó, tốc độ xử lý cao hơn có nghĩa là tản nhiệt nhiều hơn.

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

Dưới đây là một số số liệu:

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

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Bạn thực sự có thể thấy làm thế nào sức mạnh chuyển đổi CPU tăng (theo cấp số nhân!).

Ngoài ra, có một số hiệu ứng lượng tử kích hoạt khi kích thước của bóng bán dẫn co lại. Ở cấp độ nanomet, cổng bóng bán dẫn thực sự trở nên "rò rỉ".

http://computer.how wareworks.com/small-cpu2.htm

Tôi sẽ không hiểu cách thức công nghệ này hoạt động ở đây, nhưng tôi chắc rằng bạn có thể sử dụng Google để tìm kiếm các chủ đề này.

Được rồi, bây giờ, cho sự chậm trễ truyền.

Mỗi "dây" bên trong CPU hoạt động như một tụ điện nhỏ. Ngoài ra, cơ sở của bóng bán dẫn hoặc cổng của MOSFET hoạt động như các tụ điện nhỏ. Để thay đổi điện áp trên kết nối, bạn phải sạc dây hoặc rút điện. Khi các bóng bán dẫn co lại, nó trở nên khó khăn hơn để làm điều đó. Đây là lý do tại sao SRAM cần các bóng bán dẫn khuếch đại, bởi vì các bóng bán dẫn mảng bộ nhớ thực sự rất nhỏ và yếu.

Trong các thiết kế vi mạch điển hình, nơi mật độ rất quan trọng, các tế bào bit có các bóng bán dẫn rất nhỏ. Ngoài ra, chúng thường được xây dựng thành các mảng lớn, có dung lượng dòng bit rất lớn. Điều này dẫn đến sự phóng điện rất chậm (tương đối) của dòng bit bởi ô bit.

Từ: Làm thế nào để thực hiện bộ khuếch đại cảm giác SRAM?

Về cơ bản, vấn đề là khó hơn cho các bóng bán dẫn nhỏ phải điều khiển các kết nối.

Ngoài ra, có sự chậm trễ cổng. CPU hiện đại có hơn mười giai đoạn đường ống, có thể lên đến hai mươi.

Các vấn đề về hiệu suất trong đường ống

Ngoài ra còn có hiệu ứng quy nạp. Ở tần số vi sóng, chúng trở nên khá quan trọng. Bạn có thể tra cứu xuyên âm và loại công cụ đó.

Bây giờ, ngay cả khi bạn quản lý để làm cho bộ xử lý 3265810 THz hoạt động, một giới hạn thực tế khác là phần còn lại của hệ thống có thể hỗ trợ nó nhanh như thế nào. Bạn phải có RAM, lưu trữ, logic keo và các kết nối khác hoạt động nhanh như vậy hoặc bạn cần một bộ đệm lớn.

Hi vọng điêu nay co ich.

— fuzzyhair2
nguồn

1

Bạn có thể muốn bao gồm một liên kết đến cuộc thảo luận này để tham khảo tốt đẹp về tốc độ đồng hồ và điện năng tiêu thụ như thế nào liên quan: physics.stackexchange.com/questions/34766/...

— Emiswelt

2

Cũng có tốc độ điện cần xem xét khi nói về độ trễ truyền tải en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

— ryantm

Nó thực sự tăng theo cấp số nhân, hay chỉ là bậc hai? Trong thực tế, video này nói rằng Power = Frequency ^ 1.74.

— Paul Manta

2

Điểm tốt, tuy nhiên, một trong những khó khăn chính trong thiết kế CPU là các kết nối. Một con chip vật lý lớn có thể là có thể, nhưng hãy nhớ rằng chúng đang hoạt động trong phạm vi gigahertz. Bạn muốn giữ dây ngắn.

— fuzzyhair2

2

Vì câu hỏi là lý thuyết, có thể nói thêm rằng các chất bán dẫn khác, như Gallium arsenide, cho phép tần số cao hơn.

— Iacopo

32

Vấn đề nhiệt được bao phủ bởi fuzzyhair. Để tóm tắt độ trễ truyền, hãy xem xét điều này: Thời gian cần thiết để tín hiệu điện đi qua bo mạch chủ bây giờ là nhiều hơn một chu kỳ xung nhịp của CPU hiện đại. Vì vậy, làm cho CPU nhanh hơn sẽ không đạt được nhiều.

Một bộ xử lý siêu nhanh thực sự chỉ có lợi trong các quy trình xử lý số lượng lớn, và sau đó chỉ khi mã của bạn được tối ưu hóa cẩn thận để làm việc trên chip. Nếu nó thường xuyên phải đi nơi khác để lấy dữ liệu, tất cả tốc độ tăng thêm đó sẽ bị lãng phí. Trong các hệ thống ngày nay, phần lớn các tác vụ có thể được chạy song song và các vấn đề lớn được phân chia trên nhiều lõi.

Có vẻ như quá trình biên dịch latex của bạn sẽ được cải thiện bằng cách:

IO nhanh hơn. Hãy thử RAMdisk.
chạy các tài liệu khác nhau trên các lõi khác nhau
không mong đợi một công việc chuyên sâu về hình ảnh 200 trang sẽ được thực hiện trong 2 giây

— paul
nguồn

2

Quá tệ, tôi chỉ được phép một upvote. Câu trả lời của bạn xứng đáng hơn khi chỉ ra rằng tốc độ xung nhịp có thể không phải là nút cổ chai trong vấn đề của OP.

— Solomon chậm

17

Có ba giới hạn vật lý: Nhiệt, độ trễ cổng và tốc độ truyền điện.

Kỷ lục thế giới về tốc độ xung nhịp cao nhất từ trước đến nay là (theo liên kết này ) 8722,78 MHz

Tốc độ truyền điện (tương đương với tốc độ ánh sáng) là giới hạn vật lý tuyệt đối, vì không có dữ liệu nào có thể được truyền nhanh hơn phương tiện. Đồng thời giới hạn này là rất cao, vì vậy nó thường không phải là một yếu tố hạn chế.

CPU bao gồm một số lượng lớn các cổng, trong đó khá nhiều cổng được kết nối nối tiếp nhau (nối tiếp nhau). Việc chuyển từ trạng thái cao (ví dụ 1) sang trạng thái thấp (ví dụ 0) hoặc ngược lại mất một lúc. Đây là sự chậm trễ cổng. Vì vậy, nếu bạn có 100 cổng được kết nối serial và mất 1 ns để chuyển đổi, bạn sẽ phải chờ ít nhất 100 ns cho toàn bộ để cung cấp cho bạn một đầu ra hợp lệ.

Các công tắc này là thứ chiếm nhiều năng lượng nhất trên CPU. Điều này có nghĩa là nếu bạn tăng tốc độ xung nhịp, bạn sẽ nhận được nhiều công tắc hơn, do đó sử dụng nhiều năng lượng hơn do đó làm tăng sản lượng nhiệt.

Quá nhiệt (=> cung cấp nhiều năng lượng hơn) làm giảm độ trễ cổng một chút, nhưng một lần nữa làm tăng sản lượng nhiệt.

Đâu đó khoảng 3 GHz, việc sử dụng năng lượng để tăng tốc độ xung nhịp. Đây là lý do tại sao CPU 1,5 GHz có thể chạy trên điện thoại thông minh trong khi hầu hết các CPU 3-4 GHz thậm chí không thể chạy trên máy tính xách tay.

Nhưng Clock Speed không phải là thứ duy nhất có thể tăng tốc CPU, cũng như tối ưu hóa tại đường ống hoặc kiến trúc vi mã có thể gây ra sự tăng tốc đáng kể. Đây là lý do tại sao Intel i5 (Dualcore) 3 GHz nhanh gấp nhiều lần so với Intel Pentium D (Dualcore) 3 GHz.

— Dakkaron
nguồn

1

Chỉ cần ép xung làm tăng công suất CPU sử dụng tuyến tính. Vì vậy, tăng gấp đôi tốc độ đồng hồ có nghĩa là sử dụng năng lượng gấp đôi. Nhưng ở tốc độ xung nhịp cao hơn, các cổng trở nên quá chậm để hoạt động với tốc độ xung nhịp đó và bạn bắt đầu gặp lỗi tính toán -> sự cố ngẫu nhiên. Vì vậy, bạn cần tăng điện áp để tăng tốc cổng. Quy mô sử dụng điện vuông so với điện áp. Vì vậy, gấp đôi điện áp có nghĩa là bốn lần sử dụng năng lượng. Thêm vào đó để tăng gấp đôi đồng hồ và bạn có được tám lần sử dụng năng lượng. Ngoài ra điện áp cần thiết tăng theo cấp số nhân với tốc độ đồng hồ. vi.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissestion

— Dakkaron

1

Vấn đề khác ở đây là quá mức có thể làm hỏng CPU của bạn và không có gì có thể được thực hiện để chống lại điều đó. Nếu CPU của bạn được chỉ định cho 3,3V, bạn có thể tăng lên 3,7 hoặc thậm chí 4V nhưng nếu bạn lên cao, nó sẽ phá hủy chip. Một liên kết khác đáng đọc: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_vol thế

— Dakkaron

3

Tốc độ truyền là một vấn đề: ở 3Ghz bạn chỉ nhận được 10cm / chu kỳ. Vì một bộ xử lý thông thường hiện có 300m², tôi tin rằng sau 10 Ghz, người ta sẽ phải suy nghĩ lại về thiết kế bộ xử lý vì có lẽ không phải tất cả các bộ phận của chip đều có thể đạt được trong một chu kỳ.

— Martin Schröder

1

@ MartinSchröder: Đó không phải là vấn đề lớn, vì (a) CPU chết do nhiệt và độ trễ cổng trước khi đạt tới 10 GHz và (b) bộ xử lý trở nên nhỏ hơn với mỗi thế hệ. Ví dụ, một i7 6 nhân với siêu phân luồng có kích thước tương đương với Pentium singlecore 4. Nhưng i7 có 6 lõi đầy đủ và 6 "nửa lõi" nữa cho siêu phân luồng. Ngoài ra còn có bộ nhớ cache. Ngoài ra các lõi này được chia thành các giai đoạn đường ống. Chỉ các phần của CPU trong một lõi và một pha đường ống (và có thể là bộ đệm L1) cần phải đạt được trong một chu kỳ.

— Dakkaron

1

@ com.p Hiểu Nó không phải là một bộ xử lý máy tính.

— 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

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

— Chém
nguồn

Tôi đã thực hiện một vài chỉnh sửa cho LaTeX của bạn. Bạn có thể kiểm tra xem chỉnh sửa tần số có đúng không?

— Martin Thoma

Làm thế nào bạn đưa ra tình trạng giới hạn công nghệ hiện nay?

— Martin Thoma

Bạn viết rằng giới hạn hiện tại là "8x 10 ^ 9 Hz". X là gì? Cuối cùng bạn có muốn viết một dấu chấm nhân không?

— Martin Thoma

1

Bạn cũng sẽ xây dựng máy tính nhanh nhất có thể trên bán kính Schwarzschild của một lỗ đen để đạt hiệu quả tối đa. Bán kính Bohr là cách lớn để làm việc với tốc độ cao. :)

— Goswin von Brederlow

3

Vì vậy, một câu hỏi là: Có giới hạn vật lý cho tốc độ CPU không?

Điều đó phụ thuộc nhiều vào chính CPU. Sản xuất dung sai dẫn đến thực tế là giới hạn vật lý là một chút khác nhau cho mọi chip ngay cả từ cùng một wafer.

sự chậm trễ truyền dẫn gây ra một hạn chế khác về tốc độ CPU. Tuy nhiên, họ không đề cập đến việc nó có thể nhanh như thế nào.

Đó là bởi vì transmission delayhoặc speed path lengthlà một sự lựa chọn cho người thiết kế chip để thực hiện. Tóm lại, logic là bao nhiêu công việc logic trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất . Logic phức tạp hơn dẫn đến tốc độ xung nhịp tối đa chậm hơn, nhưng cũng sử dụng ít năng lượng hơn.

Đây là lý do tại sao bạn muốn sử dụng điểm chuẩn để so sánh CPU. Công việc trên mỗi số chu kỳ rất khác nhau, do đó, việc so sánh MHz thô có thể cho bạn một ý tưởng sai.

— Turbo J
nguồn

2

Trên thực tế, nó chắc chắn là công suất nhiệt tỷ lệ xấp xỉ với bình phương điện áp: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Mỗi vật liệu đều có công suất nhiệt cụ thể làm hạn chế hiệu quả làm mát.
Không xem xét các vấn đề kỹ thuật về làm mát và độ trễ truyền, bạn sẽ thấy tốc độ ánh sáng giới hạn khoảng cách mà tín hiệu có thể truyền trong cpu của chúng tôi mỗi giây. Do đó, cpu phải lấy samller nhanh hơn. Cuối cùng, nó hoạt động vượt quá một tần số nhất định, cpu có thể trở nên trong suốt đối với các hàm sóng điện tử (các electron được mô hình hóa như các hàm sóng theo phương trình của Schroedinger).
Vào năm 2007, một số nhà vật lý đã đưa ra một giới hạn cơ bản cho tốc độ vận hành:http://journals.aps.org/prl/abauge/10.1103/PhysRevLett.99.110502

— Lars Hadidi
nguồn

0

Cũng như tất cả các câu trả lời khác, cũng có một vài cân nhắc khác có thể không ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ CPU nhưng khiến việc xây dựng mọi thứ xung quanh CPU trở nên khá khó khăn;

Trong ngắn hạn, trên DC, tần số vô tuyến trở thành một vấn đề. Bạn càng đi nhanh, mọi thứ càng có xu hướng hoạt động như một chiếc radio khổng lồ. Điều này có nghĩa là dấu vết PCB bị nhiễu xuyên âm, ảnh hưởng của điện dung / độ tự cảm vốn có của chúng với các rãnh / mặt phẳng liền kề, tiếng ồn, v.v.

Bạn càng đi nhanh, tất cả những điều này càng tệ hơn - chân thành phần có thể giới thiệu độ tự cảm không thể chấp nhận được chẳng hạn.

Nếu bạn xem hướng dẫn đặt PCB "cơ bản" về mức độ của Raspberry Pi với một số RAM DDR, tất cả các dấu vết cho bus dữ liệu, v.v. phải có độ dài bằng nhau, có kết thúc chính xác, v.v. chạy tốt dưới 1GHz.

— John U
nguồn