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Warum CPU Clock Speed ​​nicht zunimmt


Warum CPU Clock Speed ​​nicht zunimmt / Hardwarehandbücher

Es gab einmal eine Zeit, in der die CPU-Taktrate von Jahr zu Jahr dramatisch anstieg. In den 90er und frühen 2000er Jahren stiegen die Prozessoren mit unglaublicher Geschwindigkeit und drehten innerhalb eines Jahrzehnts von Pentium-Chips mit 60 MHz auf Gigahertz-Prozessoren.

Jetzt scheint es, dass selbst High-End-Prozessoren aufgehört haben, ihre Taktraten zu erhöhen. Dedizierte Übertakter können das beste Silizium mit Flüssigstickstoff-Kühlsystemen auf etwa 9 GHz zwingen, aber für die meisten Anwender ist 5 GHz ein Limit, das noch nicht überschritten wurde.

Intel plante einst, einen 10-GHz-Prozessor zu erreichen, aber das ist heute so unerreichbar wie noch vor zehn Jahren. Warum hört die Prozessor-Taktfrequenz auf zu steigen? Wird die Taktrate des Prozessors wieder ansteigen oder ist diese Zeit vergangen?

Warum die CPU-Taktfrequenz nicht steigt: Wärme und Leistung

Wie wir aus Moores Gesetz wissen, schrumpft die Transistorgröße regelmäßig. Dies bedeutet, dass mehr Transistoren in einen Prozessor gepackt werden können. Typischerweise bedeutet dies eine höhere Verarbeitungsleistung. Es gibt noch einen weiteren Faktor im Spiel, die Dennard-Skalierung. Dieses Prinzip besagt, dass die Energie, die benötigt wird, um Transistoren in einer bestimmten Volumeneinheit zu betreiben, konstant bleibt, selbst wenn die Anzahl der Transistoren zunimmt.

Allerdings haben wir begonnen, die Grenzen der Dennard-Skalierung zu überwinden, und einige sind besorgt, dass Moores Gesetz sich verlangsamt. Transistoren sind so klein geworden, dass Dennards Skalierung nicht mehr gilt. Transistoren schrumpfen, aber die Leistung, die benötigt wird, um sie zu betreiben, steigt.

Wärmeverluste sind ebenfalls ein wichtiger Faktor beim Chipdesign. Milliarden von Transistoren auf einem Chip zu speichern und sie tausende Male pro Sekunde ein- und auszuschalten, erzeugt eine Menge Wärme. Diese Hitze ist für Hochpräzisions- und Hochgeschwindigkeitssilizium tödlich. Diese Wärme muss irgendwohin gehen und richtige Kühllösungen und Chipdesigns sind erforderlich, um vernünftige Taktraten aufrechtzuerhalten. Je mehr Transistoren hinzugefügt werden, desto robuster muss das Kühlsystem sein, um die erhöhte Wärme aufzunehmen.

Eine Erhöhung der Taktgeschwindigkeiten bedeutet auch eine Spannungsanhebung, die zu einem kubischen Anstieg des Stromverbrauchs für den Chip führt. Wenn die Taktraten steigen, wird mehr Wärme erzeugt, die leistungsfähigere Kühllösungen erfordert. Das Betreiben dieser Transistoren und das Erhöhen der Taktgeschwindigkeiten erfordert mehr Spannung, was zu einem drastisch höheren Energieverbrauch führt. Während wir versuchen, die Taktrate zu erhöhen, steigt der Wärme- und Stromverbrauch dramatisch an. Am Ende steigt der Stromverbrauch und die Wärmeproduktion außerhalb der Taktrate.

Warum die CPU-Taktfrequenz nicht steigt: Transistorstörungen

Das Design und die Zusammensetzung des Transistors verhindern auch die einfachen Taktraten, die wir einmal gesehen haben. Während die Transistoren zuverlässig kleiner werden (man beachte, dass die Prozessgrößen mit der Zeit kleiner werden), arbeiten sie nicht schneller. Typischerweise sind Transistoren schneller geworden, weil ihre Gates (der Teil, der sich als Reaktion auf Strom bewegt) ausgedünnt sind. Seit Intels 45-nm-Prozess ist das Gate des Transistors jedoch etwa 0,9 nm dick oder etwa so breit wie ein einzelnes Siliziumatom. Während verschiedene Transistormaterialien einen schnelleren Gate-Betrieb ermöglichen können, sind die leichten Geschwindigkeitssteigerungen, die wir einmal hatten, wahrscheinlich verschwunden.

Die Transistorgeschwindigkeit ist nicht mehr der einzige Faktor für die Taktgeschwindigkeit. Heute sind die Drähte, die die Transistoren verbinden, ein großer Teil der Gleichung. Wenn Transistoren schrumpfen, tun dies auch die Drähte, die sie verbinden. Je kleiner die Drähte, desto größer die Impedanz und niedriger der Strom. Intelligentes Routing kann dazu beitragen, die Reisezeit und die Wärmeproduktion zu reduzieren, aber eine dramatische Geschwindigkeitszunahme könnte eine Änderung der physikalischen Gesetze erfordern.

Fazit: Können wir es nicht besser machen?

Das erklärt nur, warum das Entwerfen schnellerer Chips schwierig ist. Aber diese Probleme mit dem Chip-Design wurden schon vorher überwunden, oder? Warum können sie nicht wieder mit ausreichender Forschung und Entwicklung überwunden werden?

Dank der Einschränkungen der Physik und der aktuellen Designs von Transistormaterialien ist die Erhöhung der Taktfrequenz derzeit nicht der beste Weg, die Rechenleistung zu erhöhen. Heutzutage kommen größere Leistungsverbesserungen von Multi-Core-Prozessor-Designs. Als Ergebnis sehen wir Chips wie AMDs jüngste Angebote mit einer dramatisch erhöhten Anzahl von Kernen. Das Software-Design ist diesem Trend noch nicht gefolgt, aber es scheint heute die Hauptausrichtung des Chip-Designs zu sein.

Schnellere Taktraten bedeuten nicht unbedingt schnellere und bessere Computer. Computerfähigkeit kann noch zunehmen, selbst wenn Prozessor-Taktgeschwindigkeit Plateaus. Trends bei der Multi-Core-Verarbeitung bieten eine höhere Verarbeitungsleistung bei gleichen Übertragungsgeschwindigkeiten, insbesondere bei einer verbesserten Software-Parallelisierung.

Bildnachweis: ourworldindata.org