¿Qué limita la velocidad de la CPU?

Question

Recientemente hablé con un amigo sobre la compilación de LaTeX. LaTeX sólo puede usar un núcleo para compilar. Así que para la velocidad de la compilación de LaTeX, la velocidad de reloj de la CPU es lo más importante (ver Consejos para elegir el hardware para el mejor rendimiento de la compilación de LaTeX )

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

Pero esta pregunta no se refiere a las CPU que se venden. Me gustaría saber qué tan rápido puede llegar si no te importa el precio.

Así que una pregunta es: ¿Hay un límite físico para la velocidad de la CPU? ¿Qué tan alto es?

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

Siempre he pensado que la velocidad de la CPU estaba limitada porque el enfriamiento (así que calor ) se hace tan difícil. Pero mi amigo duda de que esta sea la razón (cuando no tienes que usar los sistemas de refrigeración 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 a ser.

Lo que he encontrado

• [1] Los científicos encuentran un límite máximo fundamental para la velocidad de los procesadores : Parece que sólo se trata de ordenadores cuánticos, pero esta pregunta es sobre las CPU "tradicionales".
• [2] ¿Por qué hay límites en la velocidad de la CPU?

Sobre mí

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

Answer 1

Prácticamente, lo que limita la velocidad de la CPU es tanto el calor generado como los retrasos en las puertas, pero normalmente, el calor se convierte en un problema mucho mayor antes de que este último haga efecto.

Los procesadores recientes se fabrican utilizando la tecnología CMOS. Cada vez que hay un ciclo de reloj, la energía se disipa. Por lo tanto, velocidades de procesador más altas significan más disipación de calor.

http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

Aquí hay algunas cifras:

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

Realmente puedes ver como el poder de transición de la CPU aumenta (¡exponencialmente!).

Además, hay algunos efectos cuánticos que actúan cuando el tamaño de los transistores se reduce. A niveles nanométricos, las compuertas de los transistores se vuelven realmente "agujereadas".

http://computer.howstuffworks.com/small-cpu2.htm

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

Bien, ahora, para los retrasos en la transmisión.

Cada "cable" dentro de la CPU actúa como un pequeño condensador. También, la base del transistor o la puerta del MOSFET actúan como pequeños condensadores. Para cambiar el voltaje de una conexión, debes cargar el cable o quitar la carga. A medida que los transistores se encogen, se hace más difícil hacerlo. Por eso el SRAM necesita transistores de amplificación, porque los transistores de la matriz de memoria son muy pequeños y débiles.

En los diseños típicos de CI, donde la densidad es muy importante, las células de bits tienen transistores muy pequeños. Además, están típicamente construidas en grandes conjuntos, que tienen capacitancias 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 sensorial SRAM?

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

Además, hay retrasos en la puerta. Las modernas CPU tienen más de diez etapas de tuberías, tal vez hasta veinte.

Problemas de rendimiento en las tuberías

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

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

Espero que esto ayude.

Answer 2

El tema del calor está bien cubierto por el pelo peludo. Para resumir los retrasos en la transmisión, considere esto: El tiempo necesario para que una señal eléctrica cruce la placa madre es ahora más de un ciclo de reloj de una moderna CPU. Así que hacer CPU más rápidas no va a lograr mucho.

Un procesador súper rápido sólo es realmente beneficioso en procesos de procesamiento masivo de números, y sólo si tu código está cuidadosamente optimizado para hacer su trabajo en el chip. Si con frecuencia tiene que ir a otro lugar por los datos, toda esa velocidad extra se desperdicia. En los sistemas actuales la mayoría de las tareas pueden ser ejecutadas en paralelo y los grandes problemas se dividen en múltiples núcleos.

Parece que tu proceso de compilación de látex sería mejorado por:

• IO más rápido. Prueba con un disco RAM.
• ejecutando diferentes documentos en diferentes núcleos
• no esperar que un trabajo de 200 páginas de imágenes intensivas se haga en 2 segundos

Answer 3

Hay tres límites físicos: El calor, el retardo de la puerta y la velocidad de la transmisión eléctrica.

El récord mundial de la mayor velocidad de reloj hasta ahora es (según este enlace) 8722,78 MHz

La velocidad de transmisión eléctrica (aproximadamente la misma que la velocidad de la luz) es el límite físico absoluto, ya que ningún dato puede ser transmitido más rápido que su medio. Al mismo tiempo, este límite es muy alto, por lo que no suele ser un factor limitante.

Las CPU consisten en enormes cantidades de puertas, de las cuales bastantes están conectadas en serie (una tras otra). El cambio de estado alto (por ejemplo, 1) a estado bajo (por ejemplo, 0) o viceversa lleva un tiempo. Este es el retardo de la puerta. Así que si tienes 100 puertas conectadas en serie y una tarda 1 ns en conmutar, tendrás que esperar al menos 100 ns para que todo el conjunto te dé una salida válida.

Estos interruptores son lo que más energía consume en una CPU. Esto significa que si se aumenta la velocidad del reloj, se obtienen más interruptores, por lo que se utiliza más energía y se aumenta la salida de calor.

El sobrevoltaje (=>proporcionar más potencia) disminuye 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 energía para la velocidad del reloj aumenta extremadamente. Por eso, las CPU de 1,5 GHz pueden funcionar con un teléfono inteligente, mientras que la mayoría de las CPU de 3-4 GHz ni siquiera pueden funcionar con un ordenador 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 microcódigos 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.

Answer 4

Así que una pregunta es: ¿Hay un límite físico para la velocidad de la CPU?

Eso depende en gran medida de la propia CPU. Las tolerancias de fabricación dan como resultado 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 a ser.

Eso es porque transmission delay o speed path length es una elección que debe hacer el diseñador del chip. En pocas palabras, es cuánto trabajo hace la lógica en un solo ciclo de reloj . Una lógica más compleja resulta en velocidades máximas de reloj más lentas, pero también usa menos energía.

Por eso quieres usar un punto de referencia para comparar las CPU. Los números de trabajo por ciclo son muy diferentes, así que comparar los MHz en bruto puede darte una idea equivocada.

Answer 5

Prácticamente, es definitivamente la potencia térmica que es aproximadamente proporcional al cuadrado del voltaje: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview Cada material tiene su capacidad de calor específica que limita la eficiencia del enfriamiento.
Sin considerar las cuestiones técnicas sobre el enfriamiento y el retraso en la transmisión, encontrará que la velocidad de la luz limita la distancia que una señal puede viajar dentro de nuestra cpu por segundo. Por lo tanto, la cpu debe obtener un samller cuanto más rápido opere. Finalmente, si está operando más allá de una cierta frecuencia, la cpu puede volverse transparente para las funciones de onda electrónica (electrones modelados como funciones de onda siguiendo la ecuación de Schroedinger).
En 2007 algunos físicos calcularon un límite fundamental para las velocidades de funcionamiento: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502