היה פעם פעם כאשר מהירות השעון CPU גדל באופן דרמטי משנה לשנה. בשנות ה -90 ובתחילת שנות ה -2000 גדלו המעבדים במהירויות מדהימות, ירי מ -60 מגה-הרץ פנטיום למעבדים ברמת גיגהרץ במהלך עשור.

עכשיו, נראה כי אפילו מעבדים מתקדמים הפסיקו להגביר את מהירויות השעון שלהם. אוברקלוקרס ייעודי יכול לאלץ את הסיליקון הטוב ביותר סביב 9 GHz עם מערכות קירור נוזלי חנקן, אבל עבור רוב המשתמשים, 5 GHz היא מגבלה שעדיין לא עבר.

אינטל תכננה פעם להגיע למעבד של 10 ג'יגה-הרץ, אבל זה נשאר מחוץ להישג י היום כפי שהיה לפני עשר שנים. מדוע מהירות שעון המעבד נפסקה? האם מהירות המעבד תתחיל לעלות שוב, או שהזמן עבר?

למה מהירות השעון המעבד אינו גדל: חום וכוח

כפי שאנו יודעים מהחוק של מור, גודל הטרנזיסטור מצטמצם על בסיס קבוע. זה אומר טרנזיסטורים יותר ניתן ארוז לתוך מעבד. בדרך כלל זה אומר כוח עיבוד גדול יותר. יש גם גורם נוסף במשחק, שנקרא דרוג דנרד. עיקרון זה קובע כי הכוח הדרוש להפעלת טרנזיסטורים בנפח יחידה מסוים נשאר קבוע גם כאשר מספר הטרנזיסטורים גדל.

עם זאת, התחלנו להיתקל במגבלות של דרוג דנרד, וחלק חוששים כי החוק של מור הוא האטה. הטרנזיסטורים נעשו כל כך קטנים, עד כי קנה המידה של דנרד לא מחזיק עוד. הטרנזיסטורים מתכווצים, אבל הכוח הדרוש להפעלתם גדל.

הפסדים תרמיים הם גם גורם מרכזי בעיצוב שבב. דחיסת מיליארדי טרנזיסטורים על שבב והפיכתם לסירוגין אלפי פעמים בשנייה יוצרת טון של חום. חום זה הוא קטלני כדי דיוק גבוהה במהירות גבוהה סיליקון. כי החום צריך ללכת למקום כלשהו, ​​פתרונות קירור נאותים ועיצובים שבב נדרשים כדי לשמור על מהירויות שעון סבירים. ככל שיותר טרנזיסטורים מתווספים, כך מערכת הקירור תהיה חזקה יותר כדי להתאים את החום המוגבר.

הגדלת מהירות השעון גם מרמז על עלייה במתח, מה שמוביל לעלייה מעוקבת בצריכת החשמל של השבב. אז כמו מהירויות שעון לעלות, יותר חום נוצר, הדורש פתרונות קירור חזק יותר. הפעלת טרנזיסטורים אלה והגברת מהירויות השעון דורשת מתח רב יותר, מה שמוביל לצריכת הספק גדולה באופן דרמטי. אז כפי שאנו מנסים להגדיל את מהירות השעון, אנו מוצאים כי חום צריכת החשמל להגדיל באופן דרמטי. בסופו של דבר, דרישות כוח ייצור חום outpace מהירות השעון עולה.

למה מהירות השעון המעבד אינו גדל: טרנזיסטור בעיות

טרנזיסטור עיצוב קומפוזיציה גם מנע את מהירות השעון קל מהירויות שראינו פעם. בעוד טרנזיסטורים הם מקבלים באופן אמין הולך וגדל (עד להתכווצות עובי תהליך לאורך זמן), הם לא פועלים מהר יותר. בדרך כלל, טרנזיסטורים יש מהר יותר בגלל השערים שלהם (החלק שזז בתגובה הנוכחית) יש דליל. עם זאת, מאז תהליך 45nm של אינטל, השער טרנזיסטור הוא כ 0.9nm עבה, או על רוחב של אטום סיליקון יחיד. בעוד חומרים טרנזיסטור שונים יכולים לאפשר פעולה שער מהירה יותר, מגביר את מהירות קלה היינו פעם היו כנראה נעלם.

מהירות הטרנזיסטור גם היא לא הגורם היחיד מהירות שעון יותר. כיום, החוטים המחברים את הטרנזיסטורים הם חלק גדול מהמשוואה. כמו טרנזיסטורים להתכווץ, כך לעשות את החוטים המחברים אותם. ככל שהחוטים קטנים יותר, כך העכבה גדולה יותר ומורידים את הזרם. ניתוב חכם יכול לעזור להפחית את זמן הנסיעה ואת ייצור החום, אבל עלייה דרמטית מהירות עשויה לדרוש שינוי חוקי הפיסיקה.

מסקנה: לא נוכל לעשות טוב יותר?

זה רק מסביר מדוע תכנון שבבים מהירים קשה. אבל בעיות אלה עם עיצוב שבב נכבשו בעבר, נכון? למה הם לא יכולים להתגבר שוב עם מספיק מחקר ופיתוח?

הודות למגבלות של הפיזיקה ואת העיצובים הנוכחי טרנזיסטור החומר, הגדלת מהירות השעון היא לא כרגע הדרך הטובה ביותר להגדיל את כוח חישוב. כיום, שיפורים גדולים יותר כוח באים עיצובים מעבד מרובה ליבות. כתוצאה מכך, אנו רואים שבבים כמו הנפקות האחרונות של AMD, עם מספר גדל באופן משמעותי של ליבות. עיצוב תוכנה עדיין לא תפס עד למגמה זו, אבל זה נראה את הכיוון העיקרי של עיצוב שבב היום.

מהירויות שעון מהירות יותר לא בהכרח מתכוון למחשבים מהירים וטובים יותר. יכולת המחשב עדיין יכול להגדיל גם אם שעות המעבד מהירות plateaus. מגמות בעיבוד מרובה ליבות יספק כוח עיבוד גדול יותר במהירויות של אותו כותרת, במיוחד כאשר מקביל התוכנה משפר.

קרדיט תמונה: Ourworldindata.org