¿Qué limita la velocidad de la CPU?

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Recientemente he hablado con un amigo sobre la compilación de LaTeX. LaTeX solo puede usar un núcleo para compilar. Entonces, para la velocidad de la compilación de LaTeX, la velocidad de reloj de la CPU es lo más importante (vea Consejos para elegir el hardware para el mejor rendimiento de compilación de LaTeX )

Por curiosidad, he buscado CPU con las velocidades de reloj más altas. Creo que fue Intel Xeon X5698 con 4.4 GHz ( fuente ) que tenía la velocidad de reloj más alta.

Pero esta pregunta no es sobre las CPU que se venden. Me gustaría saber qué tan rápido puede llegar si no le importa el precio.

Entonces, una pregunta es: ¿Existe un límite físico para la velocidad de la CPU? ¿Qué tan alto es?

Y la otra pregunta es: ¿Cuál es la velocidad de CPU más alta alcanzada hasta ahora?

Siempre he pensado que la velocidad de la CPU era limitada porque el enfriamiento (por lo que calor ) se vuelve muy difícil. Pero mi amigo duda de que esta sea la razón (cuando no tiene que usar sistemas de enfriamiento tradicionales / baratos, por ejemplo, en un experimento científico).

En [2] He leído que retrasos en la transmisión causan otra limitación en la velocidad de la CPU. Sin embargo, no mencionan lo rápido que puede llegar.

Lo que he encontrado

Acerca de mí

Soy un estudiante de informática. Sé algo sobre la CPU, pero no demasiado. Y aún menos sobre la física que podría ser importante para esta pregunta. Así que, por favor, ten esto en cuenta para tus respuestas, si es posible.

    
pregunta Martin Thoma 20.07.2014 - 17:37

7 respuestas

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En la práctica, lo que limita la velocidad de la CPU es tanto el calor generado como los retrasos de la puerta, pero por lo general, el calor se convierte en un problema mucho mayor antes de que se active el segundo.

Los procesadores recientes se fabrican utilizando tecnología CMOS. Cada vez que hay un ciclo de reloj, la potencia se disipa. Por lo tanto, una mayor velocidad del procesador significa más disipación de calor.

enlace

Aquí hay algunas figuras:

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

RealmentepuedesvercómoaumentalapotenciadetransicióndelaCPU(¡demaneraexponencial!).

También,hayalgunosefectoscuánticosqueseactivanamedidaqueeltamañodelostransistoressereduce.Anivelesnanométricos,laspuertasdelostransistoresenrealidadsevuelven"fugas".

enlace

No veré cómo funciona esta tecnología aquí, pero estoy seguro de que puedes usar Google para buscar estos temas.

Bien, ahora, para los retrasos de transmisión.

Cada "cable" dentro de la CPU actúa como un pequeño condensador. Además, la base del transistor o la compuerta del MOSFET actúan como pequeños condensadores. Para cambiar el voltaje en una conexión, debe cargar el cable o quitar la carga. A medida que los transistores se reducen, se vuelve más difícil hacerlo. Esta es la razón por la que SRAM necesita transistores de amplificación, porque los transistores de matriz de memoria en realidad son muy pequeños y débiles.

  

En los diseños de IC típicos, donde la densidad es muy importante, las celdas de bits tienen transistores muy pequeños. Además, por lo general, están integrados en matrices grandes, que tienen capacidades de línea de bits muy grandes. Esto da como resultado una descarga muy lenta (relativamente) de la línea de bits por parte de la célula de bits.

De: ¿Cómo implementar el amplificador de sentido SRAM?

Básicamente, el punto es que es más difícil para los transistores pequeños tener que manejar las interconexiones.

También, hay retrasos de puerta. Las CPU modernas tienen más de diez etapas de canalización, quizás hasta veinte.

Problemas de rendimiento en la canalización

También hay efectos inductivos. En las frecuencias de microondas, se vuelven bastante importantes. Puedes buscar interferencias y ese tipo de cosas.

Ahora, incluso si logra que un procesador 3265810 THz funcione, otro límite práctico es la rapidez con la que el resto del sistema puede admitirlo. Debes tener RAM, almacenamiento, lógica de pegamento y otras interconexiones que funcionen igual de rápido o necesitas un caché inmenso.

Espero que esto ayude.

    
respondido por el fuzzyhair2 20.07.2014 - 19:48
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El problema del calor está bien cubierto por pelos de peluche. Para resumir los retrasos en la transmisión, considere esto: el tiempo necesario para que una señal eléctrica cruce la placa madre ahora es más de un ciclo de reloj de una CPU moderna. Por lo tanto, hacer CPU más rápidas no va a lograr mucho.

Un procesador súper rápido es realmente solo beneficioso en procesos masivos de procesamiento de números, y solo si su código está cuidadosamente optimizado para hacer su trabajo en el chip. Si con frecuencia tiene que ir a otra parte para obtener datos, toda esa velocidad adicional se desperdicia. En los sistemas actuales, la mayoría de las tareas se pueden ejecutar en paralelo y los grandes problemas se dividen en varios núcleos.

Parece que su proceso de compilación de látex se mejoraría al:

  • IO más rápido. Pruebe un disco RAM.
  • ejecutar diferentes documentos en diferentes núcleos
  • no espera que se realice un trabajo de imágenes de 200 páginas en 2 segundos
respondido por el paul 21.07.2014 - 04:27
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Hay tres límites físicos: calor, retardo de puerta y velocidad de transmisión eléctrica.

El récord mundial en la velocidad de reloj más alta hasta ahora es (según este enlace) 8722.78 MHz

La velocidad de transmisión eléctrica (casi igual a la velocidad de la luz) es el límite físico absoluto, ya que no se pueden transmitir datos más rápido que su medio. Al mismo tiempo, este límite es muy alto, por lo que no suele ser un factor limitante.

Las CPU están formadas por enormes cantidades de puertas, de las cuales muchas están conectadas en serie (una detrás de otra). Un cambio de estado alto (por ejemplo, 1) a estado bajo (por ejemplo, 0) o viceversa toma un tiempo. Este es el retraso de la puerta. Por lo tanto, si tiene 100 puertas conectadas en serie y una tarda 1 ns en cambiarse, tendrá que esperar al menos 100 ns para que todo le dé una salida válida.

Estos interruptores son lo que tiene más poder en una CPU. Esto significa que si aumenta la velocidad del reloj, obtendrá más interruptores, por lo tanto, usará más energía, lo que aumentará la producción de calor.

Sobrecargar (= > proporcionando más potencia) reduce un poco el retardo de la puerta, pero de nuevo aumenta la salida de calor.

En algún lugar alrededor de 3 GHz, el uso de potencia para la velocidad del reloj aumenta extremadamente. Esta es la razón por la que las CPU de 1.5 GHz pueden ejecutarse en un teléfono inteligente, mientras que la mayoría de las CPU de 3-4 GHz ni siquiera pueden ejecutarse en una computadora portátil.

Pero la velocidad del reloj no es lo único que puede acelerar una CPU, también las optimizaciones en la tubería o la arquitectura de microcódigo pueden causar una aceleración significativa. Por eso, un Intel i5 (Dualcore) de 3 GHz es varias veces más rápido que un Intel Pentium D (Dualcore) de 3 GHz.

    
respondido por el Dakkaron 21.07.2014 - 15:24
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Las respuestas a sus preguntas son: Sí , hay un límite físico para la velocidad de la CPU. El límite teórico más alto se establecerá por la rapidez con la que un "interruptor" puede cambiar de estado. Si usamos el electrón como la base del interruptor, usamos el radio de Bohr $$ r = 5.291 \ times 10 ^ {- 11} $$ y la velocidad más rápida posible $$ c = 3 \ times 10 ^ 8, $$ para calcular la frecuencia $$ F = \ frac {1} {t} = \ frac {c} {2} \ pi r = 9.03 \ veces 10 ^ {17} \ texto {Hz} $$ En el actual estado de la tecnología, el límite real es de $$ 8 \ times 10 ^ 9 \ text {Hz} $$

    
respondido por el Guill 01.08.2014 - 10:59
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Entonces, una pregunta es: ¿hay un límite físico para la velocidad de la CPU?

Eso depende mucho de la propia CPU. Las tolerancias de fabricación resultan en el hecho de que el límite físico es un poco diferente para cada chip, incluso de la misma oblea.

  

los retrasos en la transmisión causan otra limitación en la velocidad de la CPU. Sin embargo, no mencionan lo rápido que puede llegar.

Esto se debe a que transmission delay o speed path length es una opción que debe realizar el diseñador del chip. En pocas palabras, es la cantidad de trabajo que hace la lógica en un solo ciclo de reloj . Una lógica más compleja da como resultado velocidades de reloj máximas más lentas, pero también consume menos energía.

Esta es la razón por la que desea utilizar un punto de referencia para comparar las CPU. Los números de trabajo por ciclo son muy diferentes, por lo que comparar MHz sin procesar puede darte una idea equivocada.

    
respondido por el Turbo J 20.07.2014 - 19:33
2

Prácticamente, es definitivamente la potencia térmica que es aproximadamente proporcional al cuadrado del voltaje: enlace Cada material tiene su capacidad de calor específica que limita la eficiencia de enfriamiento.
Sin considerar los problemas técnicos relacionados con el enfriamiento y el retraso de la transmisión, encontrará la velocidad de la luz que limita la distancia que puede recorrer una señal dentro de nuestra CPU por segundo. Por lo tanto, la cpu debe obtener samller cuanto más rápido funcione. Finalmente, si está funcionando más allá de cierta frecuencia, la CPU puede volverse transparente para las funciones de onda electrónica (electrones modelados como funciones de onda según la ecuación de Schroedinger). En 2007, algunos físicos calcularon un límite fundamental para las velocidades de operación: enlace

    
respondido por el Lars Hadidi 21.07.2014 - 09:36
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Además de todas las otras respuestas, también hay algunas otras consideraciones que pueden no afectar directamente a la velocidad de la CPU, pero dificultan mucho la creación de cualquier cosa alrededor de esa CPU;

En resumen, por encima de DC, la frecuencia de radio se convierte en un problema. Cuanto más rápido vayas, más inclinado está todo a actuar como una radio gigante. Esto significa que las trazas de PCB sufren interferencia, los efectos de su capacitancia / inductancia inherentes con pistas adyacentes / plano de tierra, ruido, etc. etc.

Cuanto más rápido vayas, peor se pone todo esto - las patas de los componentes pueden introducir una inductancia inaceptable, por ejemplo.

Si observa las pautas para establecer PCB "básicas" del tipo de nivel de una Raspberry Pi con algo de RAM DDR, todas las trazas para el bus de datos, etc. deben ser de la misma longitud, tener la terminación correcta, etc. . y eso está funcionando muy por debajo de 1 GHz.

    
respondido por el John U 01.08.2014 - 11:10

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