Tại sao các nhà sản xuất CPU ngừng tăng tốc độ xung nhịp của bộ xử lý của họ? [đóng cửa]

Tôi đã đọc được rằng các nhà sản xuất đã ngừng tập trung vào tốc độ xung nhịp cao hơn và hiện đang làm việc trên những thứ khác để cải thiện hiệu suất.

Với

• một máy tính để bàn cũ với Bộ xử lý Intel® Xeon® E3110 với tốc độ xung nhịp 3.0GHz
• và một máy chủ mới với Bộ xử lý AMD Opteron (TM) 6272 với tốc độ xung nhịp 2.1GHz

khi thực hiện so sánh mã hóa đơn giản bằng cách sử dụng (luồng đơn)

 openssl aes256c

máy tính để bàn hoạt động tốt hơn nhiều so với máy chủ.

Vì vậy, ngay cả với tối ưu hóa mới nhất, tại sao bộ xử lý với tốc độ xung nhịp tốt hơn sẽ hoạt động tốt hơn?

Lý do các nhà sản xuất đã ngừng tập trung vào việc tăng tốc độ xung nhịp là vì chúng ta không còn có thể làm mát bộ xử lý đủ nhanh để điều này khả thi. Tốc độ xung nhịp càng cao, càng nhiều nhiệt được tạo ra và giờ chúng ta đã đạt đến giai đoạn không còn hiệu quả để tăng tốc độ xử lý do lượng năng lượng đi vào làm mát nó.

Câu trả lời khác đi vào chi tiết về tốc độ xung nhịp cao hơn không có nghĩa là hiệu suất tốt hơn trong tất cả các lĩnh vực.

Có rất nhiều tốc độ xử lý hơn tốc độ xung nhịp.

• Các CPU khác nhau có thể thực hiện số lượng khác nhau trong cùng một số chu kỳ xung nhịp, do các biến thể khác nhau trong cách sắp xếp đường ống và có nhiều đơn vị thành phần (bộ cộng và vv) trong mỗi lõi. Mặc dù trong thử nghiệm của bạn không phải như vậy, bạn thường thấy một con chip "chậm hơn" có thể làm được nhiều hơn một con chip nhanh (chỉ tính bằng tốc độ xung nhịp) do có thể làm được nhiều hơn trên mỗi tích tắc.

• Thử nghiệm bạn thực hiện có thể rất nhạy cảm với sự khác biệt về kiến ​​trúc CPU: nó có thể được tối ưu hóa cho một kiến ​​trúc cụ thể, bạn có thể thấy nó hoạt động khác nhau không chỉ giữa chip Intel và AMD mà giữa các chip Intel (hoặc AMD) của các họ khác nhau. Có khả năng cũng sử dụng một luồng duy nhất nên không tận dụng được nhiều lõi của CPU.

• Có một động thái để giảm tốc độ xung nhịp vì lý do quản lý năng lượng và nhiệt: tăng tốc độ xung nhịp không có tác động tuyến tính đến việc sử dụng năng lượng và sản lượng nhiệt.

• Do mối quan hệ phi tuyến tính ở trên, các yêu cầu ngày nay phải có nhiều đơn vị xử lý hiệu quả hơn nhiều so với việc đẩy tốc độ của một đơn vị lên cao hơn bao giờ hết. Điều này cũng cho phép các thủ thuật thông minh để bảo tồn sức mạnh như tắt các lõi riêng lẻ khi không sử dụng và phục hồi chúng khi nhu cầu tăng trở lại. Tất nhiên, nhiều lõi không giúp ích cho thuật toán một luồng tất nhiên, mặc dù điều đó sẽ xảy ra nếu bạn chạy hai hoặc nhiều phiên bản của nó cùng một lúc.

Tại sao bạn nghĩ rằng các nhà sản xuất thực sự đang giảm tốc độ xung nhịp bằng cách chỉ so sánh hai bộ xử lý?

1. Các 6272 có tốc độ Turbo của 3GHz. Tốc độ cơ bản thấp hơn chỉ là để giảm công suất trung bình và giữ TDP chấp nhận được cho một công việc khi tất cả các lõi đều bị căng thẳng.
2. Chip hiệu suất cao tiếp theo của AMD dành cho máy tính để bàn, FX-9590 sẽ đạt 5 Ghz.

Ngoài ra tốc độ đồng hồ không giống như hiệu suất trên mỗi chu kỳ đồng hồ. Bạn có thể có P4 3,8 Ghz so với một lõi 3,2 Ghz từ i7-3930K, nhưng điều đó không có nghĩa là lõi P4 nhanh hơn.

Tất cả mọi thứ nói ở đây về mức tiêu thụ năng lượng cũng hoàn toàn hợp lệ và đúng với thiết kế 16 lõi, trong đó bạn tự nhiên phải quan tâm nhiều hơn về các vấn đề TDP.

Ngoài ra phương pháp điểm chuẩn của bạn chỉ cần kiểm tra openssl là một chút đơn giản để đưa ra số thế giới thực. Có lẽ bạn nên thử bất kỳ bộ tiêu chuẩn tiền điện tử.

Trường hợp thử nghiệm của bạn (mã hóa aes-256) rất nhạy cảm với các tối ưu hóa cụ thể của bộ xử lý.

Có nhiều CPU khác nhau có các hướng dẫn đặc biệt nhằm tăng tốc các hoạt động mã hóa / giải mã. Những chỉ dẫn đặc biệt này không chỉ xuất hiện trên máy tính để bàn của bạn - có thể là CPU AMD có các hướng dẫn đặc biệt khác nhau. Ngoài ra, openssl có thể chỉ hỗ trợ các hướng dẫn đặc biệt này cho CPU Intel. Bạn đã kiểm tra xem đó là trường hợp?

Để tìm ra hệ thống nào nhanh hơn, hãy thử sử dụng bộ điểm chuẩn "phù hợp" - hoặc tốt hơn, chỉ cần sử dụng khối lượng công việc thông thường của bạn.

Đơn giản: Chip AMD rất xa, nhanh hơn rất nhiều vì đây là chip 16 lõi. Ở mức 115 watt, có nghĩa là mỗi lõi tạo ra ~ 7 watt. Điều này sẽ không thể đạt được nếu mỗi lõi chạy ở tốc độ 3 Ghz. Để đạt được con số 7 watt đó, AMD đã hạ thấp tần số xung nhịp. Giảm 10% tần số xung nhịp sẽ giảm 20% mức tiêu thụ năng lượng, điều này cho phép bạn đặt thêm 25% lõi vào chip.

Như những người khác đã nói, chúng ta không còn có thể làm mát CPU một cách hiệu quả nếu chúng ta phải đẩy điện áp cần thiết cho cùng mức tăng xung nhịp tương đối trong quá khứ. Đã có một thời gian (thời đại P4 và trước đó) khi bạn có thể mua CPU mới và thấy mức tăng "ngay lập tức" là tốc độ vì tốc độ xung nhịp đã tăng đáng kể so với thế hệ trước. Bây giờ chúng tôi đã đạt được một bức tường nhiệt, các loại.

Mỗi thế hệ bộ xử lý hiện đại mới đều tăng rất ít về tốc độ xung nhịp, nhưng điều này cũng liên quan đến khả năng làm mát chúng một cách thích hợp. Các nhà sản xuất chip, như Intel, đang liên tục tập trung vào việc thu nhỏ kích thước khuôn của CPU để vừa giúp chúng tiết kiệm năng lượng hơn vừa tạo ra ít nhiệt hơn trong cùng một đồng hồ. Một lưu ý phụ, kích thước khuôn co lại này làm cho các bộ xử lý hiện đại dễ bị chết vì quá tải hơn là quá nóng. Điều này có nghĩa là nó cũng giới hạn tốc độ xung nhịp của bất kỳ CPU thế hệ hiện tại nào mà không có các tối ưu hóa khác được thực hiện bởi nhà sản xuất chip.

Một lĩnh vực khác đang được các nhà sản xuất chip tập trung rất nhiều là tăng số lượng lõi trên chip. Điều này không làm tăng đáng kể sức mạnh tính toán, nhưng chỉ khi sử dụng phần mềm tận dụng nhiều lõi. Lưu ý sự khác biệt giữa sức mạnh tính toán và tốc độ ở đây. Nói một cách đơn giản, tốc độ đề cập đến việc máy tính có thể thực hiện một lệnh nhanh như thế nào, trong khi sức mạnh tính toán đề cập đến số lượng tính toán mà máy tính có thể thực hiện trong một khoảng thời gian nhất định. Các hệ thống hoạt động hiện đại và nhiều phần mềm hiện đại tận dụng nhiều lõi. Vấn đề là lập trình đồng thời / song song khó hơn mô hình lập trình tuyến tính tiêu chuẩn. Điều này làm tăng thời gian để nhiều chương trình trên thị trường tận dụng tối đa sức mạnh của các bộ xử lý mới hơn này vì nhiều nhà phát triển không quen viết chương trình theo cách này. Vẫn còn một số chương trình trên thị trường hiện nay (hiện đại hoặc di sản) không tận dụng được nhiều lõi hoặc đa luồng. Chương trình mã hóa mà bạn đã trích dẫn là một ví dụ như vậy.

Hai lĩnh vực trọng tâm của các nhà sản xuất chip được kết nối thực chất. Bằng cách giảm cả kích thước khuôn và mức tiêu thụ năng lượng của chip, sau đó họ có thể tăng số lượng lõi trên chip nói trên. Cuối cùng, điều này cũng sẽ va vào một bức tường, gây ra sự thay đổi mô hình khác, quyết liệt hơn.

Lý do cho sự thay đổi mô hình này là do chúng ta tiến gần đến giới hạn của silicon làm nguyên liệu cơ bản để sản xuất chip. Đây là điều mà Intel và những người khác đã cố gắng giải quyết trong một thời gian. Intel đã tuyên bố rằng họ có một giải pháp thay thế silicon trong công việc và chúng tôi có thể sẽ bắt đầu thấy nó vào khoảng sau năm 2017. Ngoài vật liệu mới này, Intel cũng đang xem xét các bóng bán dẫn 3D có thể "tăng gấp ba công suất xử lý" một cách hiệu quả. Dưới đây là một bài viết đề cập đến cả hai ý tưởng này: http://apcmag.com/intel-looks-beyond-silicon-for- Processors-past-2017.htmlm

• Các tổn thất nhiệt H bằng 4 độ tần số f.

  H ~ f ^ 4

  Vì vậy, sự gia tăng nhỏ của tần số dẫn đến tổn thất nhiệt cao.

• Thu nhỏ hơn

  Tần số cao hơn dẫn đến giảm thiểu tinh thể xa hơn. Tại thời điểm này, chúng tôi không có công nghệ nào hoạt động hiệu quả với vật liệu có kích thước nano mét và mét nano là giới hạn.

Như đã nêu trong một vài câu trả lời khác, các nhà sản xuất CPU muốn giảm tốc độ xung nhịp để kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng và tản nhiệt. Để thực hiện nhiều công việc hơn với cùng tốc độ đồng hồ, một số chiến lược được sử dụng.

Bộ nhớ cache trên chip lớn có thể giữ nhiều dữ liệu "gần với" CPU hơn, có sẵn để được xử lý với độ trễ tối thiểu, trái với bộ nhớ chính, tốc độ truyền dữ liệu đến CPU chậm hơn nhiều.

Các hướng dẫn CPU khác nhau có số chu kỳ xung nhịp khác nhau để hoàn thành. Trong nhiều trường hợp, bạn có thể sử dụng một mạch đơn giản để thực hiện một thao tác trong một số chu kỳ đồng hồ hoặc một mạch phức tạp hơn để thực hiện trong ít hơn.

Ví dụ ấn tượng nhất về điều này trong quá trình tiến hóa của Intel là trong Pentium 4, một sự vượt trội lớn về tốc độ xung nhịp, nhưng không hoạt động tốt tương xứng. Các hướng dẫn dịch chuyển bit, trong các chip trước có thể dịch chuyển 32 bit trong một chu kỳ, đã sử dụng một mạch đơn giản hơn nhiều trong Pentium 4, yêu cầu một chu kỳ duy nhất cho mỗi lần dịch chuyển bit. Kỳ vọng là kiến ​​trúc Pentium 4 sẽ có thể mở rộng với tốc độ xung nhịp cao hơn nhiều vì tính đơn giản của nó, nhưng nó không hoạt động, và mạch dịch chuyển nhanh, phức tạp trở lại trong Core và các kiến ​​trúc sau này.

Từ IEEE:

Vậy tại sao không đẩy đồng hồ nhanh hơn? Bởi vì nó không còn xứng đáng với chi phí về năng lượng tiêu thụ và nhiệt lượng tiêu tan. Intel gọi sự đánh đổi tốc độ / năng lượng là một định lý cơ bản của bộ vi xử lý đa lõi, vì thế, đó là lý do hợp lý khi sử dụng hai hoặc nhiều vùng xử lý hoặc lõi trên một chip.

http://spectrum.ieee.org/computing/hardware/why-cpu-frequency-stalled