Quina és la velocitat normal de la CPU?

Estem començant a tenir algunes limitacions difícils de la fabricació de la CPU. Com més ràpid serà la velocitat del rellotge, més calor es generarà el xip. Si empenyem les velocitats del rellotge molt més altes del que són avui, la gent necessitarà algunes solucions exòtices.

La manera normal d' incrementar la velocitat del rellotge sense crear més calor és fer que els cables més prima que permeten utilitzar els xips menys volts. Però ens acostem molt a limitacions fonamentals sobre com poden ser els cables petits. Es fan servir per embalar el doble de transistors a l'espai cada 24 mesos. Aquest ritme s'ha lent significativament en els últims anys.

Finalment, quan estàs parlant de coses que passen en mil milions de dòlars d'un segon, comences a tenir problemes mantenint tota la resta del xip sincronitzada. L'electricitat flueix ràpid a través dels cables, però si anem molt més ràpid que el temps que triga els electrons a passar d'una banda del xip a l'altra serà més lent que un cicle del rellotge. Això crea tota mena de problemes nous.

D'una altra banda, les CPU s'han posat molt millor en els fils i en paral·lelitzant els carregaments de treball en els últims anys. Abans era que per aconseguir més energia informàtica havies de pujar la velocitat del rellotge. Ara podeu afegir nuclis i fer altres optimitzacions per tal que pugueu obtenir més poder sense haver d'augmentar la velocitat del rellotge. En aquest punt, és més fàcil afegir més poder que trobar solucions fredes per permetre incrementar velocitats del rellotge.

Una altra nota en això, l'arquitectura del 7nm que s' usa actualment és realment el disseny més realista possible usant el FinFET actual (Fin camp transistors). Anar a 5nm (el següent pas de l' IRDS 2017 mapes de carretera planificats) crec que requereix que vagi al galium-arsenid (GaAs) i/o GAFET (tracció de camp) per mitigar els efectes del túnel quàntic que succeeixin quan s' usen Silicon/FECT en aquesta escala. La 5nm està programada per ~20, però fins on sé que TSMC (Taiwan Semiconductor de Manu facting Company) està desenvolupant el procés de producció de 5nm. De tota manera, van trencar el terreny a Fab 18 (la seva instal·lació de fabricació nova per a 5nm i 3nm) gener de 2018.

La resposta ELI5 és bàsicament que hem arribat a l'escala de producció on s'han de començar a considerar els efectes quàntics que es fan complicat...

Només per posar aquest últim problema en perspectiva: en un nanosegon, la llum viatjarà una mica sota 30 cm, una mica sota un peu. A la velocitat del rellotge 3 GHz, cada cicle del rellotge és un terç d'un nanosegon, així que el punt en què un senyal podria viatjar en aquell moment és a uns 10 cm - prop de 4 polzades. Si tenim en compte que una CPU és uns quants centímetres d'ample, i els senyals ni la velocitat de la llum, ni en línies rectes, aquest és el límit que no es resoldrean amb una millor tecnologia.

Millor que les substracions de circuits, que són més eficientment eficients o millor en l'espera i la calor (hello Graphene!) Potser us permet tractar amb la calor més ràpida, però els circuits encara no podran aconseguir més ràpid o obtenir més transistors en ells sense aquelles estructures que s'encongeixn molt, i la seva mida sembla estar colpejant un límit inferior també - en aquest punt l'única manera d'encaminar més a un xip és anar en xips multi-capadors, que només accelera els problemes de calor.

Edito: jo estaria disposat a ser diners que ni tan sols veurem els prototips de laboratori amb nitrogen refredant 10 vegades el rellotge de GHz en aquesta o la dècada que ve, i que mai veurem 10 CPU comercials de producció GHz.

Aquesta última part és molt gran. A 3GHz, la velocitat de la llum és aproximadament 10cm /. A les 5GHz, estàs a punt de 6cm/clock.

La senyal del rellotge es pren una fracció significativa de la marca del rellotge només per propagar a tota la CPU. En algun lloc al voltant de 10GHz, comença a ser físicament impossible mantenir tot el xip a la mateixa marca del rellotge (a no ser que facis el xip molt petit, que, a causa dels altres límits fonamentals que mencionis també significa eliminar transistors (que disminuiria el rendiment d' una altra manera)

Per què no han començat a utilitzar el compost metàl·lic líquid en comptes de la mateixa merda que l'esquet tèrmica que han utilitzat durant anys? Sembla que la següent millor manera d'ajudar les temperatures de la CPU més baixes. Potser és massa arriscat o car o no dur?

No és perfecte, és difícil passar per això. A aquestes velocitats del rellotge, arribaràs al punt on les limitacions fonamentals (com quan triga la llum, que viatja a 3 * 10 8 m/ s pot viatjar a través d' un xip ampli de cm. Quan anaves lent, velocitat Mhz, no importava molt, era fàcil anar més ràpid

També comences a córrer en altres qüestions com ara el fred... el més ràpid que vas, la calor que vas generar en una petita àrea, que s'ha de portar a terme.

També t'has de preocupar per mantenir-ho tot sincronitzat, i qualsevol retard potencial/build-hi, etc.

Preferiblement, ens agradaria seguir augmentant les velocitats del rellotge, és difícil. Per tal de seguir progressant, hem trobat maneres intel·ligents al seu voltant (per ara) com ara utilitzar diversos nuclis, o fer trossos(transtors, especialment) més petits. Però només pots fer les coses tan petites.

En molts casos no és que els desenvolupadors no vulguin paral·lelitzar el seu codi o són simplement ganduls i no molesten, és que no es pot paral·lelitzar un munt de codi. Hi ha un grau molt limitat al qual podeu paral· lelitzar qualsevol cosa que, p. ex., implica treballar amb sistemes de fitxers, bases de dades, interacció d' usuari o (discsUSB, sensors, etc.).

Ho descriu com el límit sagnant, però... Els investigadors i la indústria han intentat resoldre aquest problema des de finals dels 80. Tinc el doctorat desenvolupant una tècnica per a facilitar els fils. També molts altres. És realment difícil fer paral·lelisme fàcil. M'encantaria saber personalment d'algú que vingués amb una solució que només funciona (però m'agradaria acostar-me'n amb moltes preguntes...)

Veig que aquest fil s'ha tornat massa complex, intentem simplificar-ho.

Una CPU és com una fàbrica, imagineu-la com una línia d'assemblatge per als cotxes però a l'inrevés, hi ha una ordre que s'ha d'executar a diferents parts de la CPU com si fossin diferents estacions de la fàbrica dedicada a diferents tasques.

Ara a través de tota la fàbrica hi ha un cinturó que es diu canonada, aquesta canonada té 2 funcions, el seu sistema de distribució lineal que permet l'anàlisi de cada ordre i la seva desassemblable per tal que es pugui distribuir a la part correcta de la fàbrica per la seva execució.

La freqüència no és la velocitat real del processador, sinó el ritme en el que el cinturó central es mou, la freqüència és normalment 1/time.

L'altra cosa que heu d'entendre és que el processador està fet de petits interruptors, s'anomenen portes lògiques que fan funcions matemàtiques simples com A més, resta, divisió i multiplicació usant petits interruptors elèctrics anomenats portes usant un tipus de matemàtiques anomenades Booleà, matemàtiques Booleà s'aplica bàsicament al codi binari.

Ara depenent de les instruccions que useu per a la vostra CPU, Cisc, Risc, X86, Alfa... etc. (Arm és una branca de Risc i crec) la CPU i la canonada tenen un mètode diferent de prendre instruccions separades, i la CPU està dissenyada per a agafar instruccions complexes i dividir-les en tasques més simples a través de la canonada de manera que poden ser executats i eficientment.

La canonada pot ser més llarga que fa que les instruccions siguin més fàcils de separar i analitzar que és genial amb tasques més complexes, però alenteix amb tasques més simples que la CPU degut a la gestió de menys instruccions per cicles o una canonada més curta que manegarà més instruccions per cicles, però pot ofegar-se en tasques més complexes per no simplificar-les suficientment.

A més, hi ha el tema de la densitat de la lògica, que són petites portes metàl·lics que estan embussades en un pas de silici, ara les portes més petites, la menor potència necessària per obrir-les i tancar-les, però quan empaquetar massa portes junts podeu aconseguir una migració elèctrica que és una manera molt simplificada, vol dir que el poder utilitzat per moure una porta pot causar que les portes del voltant es mogui, de manera que cada vegada que s'encongeix la mida del component (normalment definit per la mida de la mort, en nM oM u, que és la longitud d' ona del làser utilitzat per a la Karatura, etc.) que heu de redissenyar el poder d'entregar les portes, així com millorar l' estructura del sistema d'aïllar més bé les portes.

Ara, tornant a la metàfora de la línia d'assemblatge, la freqüència només us indica com de ràpid s'està el cinturó de transmetre, que molts treballadors o la complexitat de la feina feta a cada estació, de manera que jutjar el rendiment d'una CPU usant la seva freqüència tan sols és com intentar determinar quants cotxes una fàbrica fa tan sols saber com de ràpid representa el cinturó en els moviments de la fàbrica, una CPU és molt més complexa i una CPU que funciona des de 4Gz des de l'arquitectura pot ser més lent aleshores una CPU que funciona a 1Ghz.

Un bon exemple són les cartes gràfiques.

Un Nvidia 1080 TI en el rendiment en brut és més ràpid que un processador de línia i7 mentre s'executen entre un terç i una meitat de la freqüència, però ja que estan dissenyats per a diferents tasques, un està fent SUV i els altres cotxes esportius.

Generalment, el poder és el problema. Cada onada de la CPU esdevé un watt de calor que cal desfer-te'n.

El consum d'energia d'una CPU escala linealment amb la freqüència per tal de prendre un xip 3 GHz 90 i dur-lo a terme a 4 GHz tindrà el resultat de 120 W si pots mantenir el mateix volatge

Per desgràcia, els rellotges de rellotge solen necessitar mesures més altes per aconseguir que els transististes canviïn prou ràpid i escala de consum d'energia amb la Quadrat de la volta. Si teniu un xip que consumeix 90 Watts quan s' executa a 3 GHz i 1.2V i llavors OC a 4 GHz però ha de pujar el vol a 1,5V llavors consumirà 152 Watts no només els 120 Watts des de dalt.

El voltage comença cada vegada més ràpid que et mous més fort a aconseguir sobre de les conclusions que caus al consum d'energia a coets, també. Forçar un I7-7700k a 7 GHz requerit més de 2V, bàsicament doblement el voltatge, que es quatre vegades més el consum d'energia

Aixeca un punt interessant. Tradicionalment, l'eficiència significa que la quantitat d'energia convertit a la feina mecànica (fins i tot la resta es converteix en residus de calor). Així que diguem que un motor o un motor és eficient al 40%. No obstant això, això també s'ha aplicat a les bombetes, per exemple, a partir del 10% per a l'any 70-80% per als millors LED de classe.

No obstant això, com es tracta de mesurar l'eficiència d'una CPU? Segurament no podem dir que siguin 100% ificients i que no facin res amb el seu poder.

Encara que, per als casos no tradicionals d'ús, m'imagino que no és la seva producció real la que s'ha mesurat, sinó la quantitat de calor que generen i substracten això de l'ús total de poder.

De fet, la raó no és calor o consum d'energia. Això és desmuntable. La raó és que els ordinadors contenen capacriudors i capactities, que és quan parts de l'acte transistor com un capacítor.

Capaciadors, destinats o si no, feu una cosa divertida com la freqüència del volatge i, per tant, l'actual en el circuit s'incrementa. Comencen a actuar com cables.

És com agafar tots els barrets i les ximpleries del circuit i substituir-los amb cables. El circuit ja no és el circuit dissenyat originalment, i no funcionarà com estava previst.

Això és interessant i no és una cosa que he sentit declarar com una raó per a aquests límits fins ara. Pots explicar-ho? Aquesta és una part de la raó per la qual s'ha d'aplicar als volts més alts quan s'eleva les freqüències?