Было время, когда тактовая частота процессора резко возрастала из года в год. В 90-х и начале 2000-х процессоры росли с невероятной скоростью: за десятилетие они перешли от процессоров Pentium с тактовой частотой 60 МГц к процессорам с частотой гигагерца.
Теперь кажется, что даже высокопроизводительные процессоры перестали увеличивать свою тактовую частоту. Заядлые оверклокеры могут разогнать лучший процессор до частоты около 9 ГГц с помощью систем охлаждения жидким азотом, но для большинства пользователей 5 ГГц — это предел, который еще не преодолен.
Когда-то Intel планировала внедрить процессор с тактовой частотой 10 ГГц, но сегодня это так же недостижимо, как и десять лет назад. Почему тактовая частота процессора перестала увеличиваться? Начнёт ли снова расти тактовая частота процессора или это время прошло?
Почему тактовая частота процессора не увеличивается: тепло и мощность
Как мы знаем из Закон Мура , размер транзисторов регулярно уменьшается. Это означает, что в процессор можно поместить больше транзисторов. Обычно это означает большую вычислительную мощность. Есть еще один фактор, называемый Масштабирование Деннарда . Этот принцип гласит, что мощность, необходимая для работы транзисторов в определенной единице объема, остается постоянной даже при увеличении количества транзисторов.
Однако мы начали сталкиваться с ограничениями масштабирования Деннарда и некоторые обеспокоены , что закон Мура замедляет работу. Транзисторы стали настолько маленькими, что масштабирование Деннарда больше не действует. Транзисторы уменьшаются, но мощность, необходимая для их работы, увеличивается.
Тепловые потери также являются важным фактором при проектировании чипов. Запихивание миллиардов транзисторов в чип и их включение и выключение тысячи раз в секунду приводит к образованию тонны тепла. Это тепло смертельно опасно для высокоточного и высокоскоростного кремния. Это тепло должно куда-то деваться, а для поддержания приемлемой тактовой частоты необходимы правильные решения по охлаждению и конструкции чипов. Чем больше транзисторов добавлено, тем более надежной должна быть система охлаждения, чтобы выдерживать повышенное тепло.
Увеличение тактовой частоты подразумевает и рост напряжения, что приводит к кубическому увеличению энергопотребления чипа. Таким образом, по мере увеличения тактовой частоты выделяется больше тепла, что требует более мощных решений для охлаждения. Для работы этих транзисторов и увеличения тактовой частоты требуется большее напряжение, что приводит к значительному увеличению энергопотребления. Поэтому, когда мы пытаемся увеличить тактовую частоту, мы обнаруживаем, что энергопотребление и тепловыделение резко возрастают. В конце концов, требования к электропитанию и выделению тепла опережают рост тактовой частоты.
Почему тактовая частота процессора не увеличивается: проблемы с транзисторами
Конструкция и состав транзисторов также не позволяют добиться высоких тактовых частот, которые мы когда-то видели. Несмотря на то, что транзисторы постепенно становятся меньше (о чем свидетельствует уменьшение размеров процессов с течением времени), они не работают быстрее. Обычно транзисторы стали быстрее, потому что их затворы (часть, которая движется в ответ на ток) стали тоньше. Тем не менее, поскольку Intel использует 45-нм техпроцесс, толщина затвора транзистора составляет примерно 0,9 нм, что соответствует ширине одного атома кремния. Хотя различные материалы транзисторов могут обеспечить более быструю работу затвора, простое увеличение скорости, которое у нас когда-то было, вероятно, исчезло.
Скорость транзистора больше не является единственным фактором, влияющим на тактовую частоту. Сегодня провода, соединяющие транзисторы, также являются важной частью уравнения. По мере того как транзисторы сжимаются, уменьшаются и соединяющие их провода. Чем меньше провода, тем больше сопротивление и меньше ток. Умная маршрутизация может помочь сократить время в пути и выделение тепла, но резкое увеличение скорости может потребовать изменения законов физики.
Вывод: можем ли мы добиться большего?
Это объясняет, почему сложно разрабатывать более быстрые чипы. Но эти проблемы с дизайном чипов были решены раньше, верно? Почему их нельзя снова преодолеть с помощью достаточных исследований и разработок?
Из-за ограничений физики и современных конструкций материалов транзисторов увеличение тактовой частоты в настоящее время не является лучшим способом увеличения вычислительной мощности. Сегодня больший прирост мощности достигается за счет многоядерных процессоров. В результате мы видим чипы, подобные недавним предложениям AMD, с резко увеличенным количеством ядер. Разработка программного обеспечения еще не отреагировала на эту тенденцию, но, похоже, сегодня это основное направление проектирования чипов.
Более высокая тактовая частота не обязательно означает более быстрые и лучшие компьютеры. Возможности компьютера все равно могут увеличиться, даже если тактовая частота процессора стабилизируется. Тенденции в области многоядерной обработки обеспечат большую вычислительную мощность при тех же основных скоростях, особенно по мере улучшения распараллеливания программного обеспечения.
Изображение предоставлено: Ourworldindata.org
