Nekad je radni takt procesora iz godine u godinu dramatično rastao. 90-ih i ranih 2000-ih procesori su se povećavali nevjerojatnim brzinama, pucajući sa Pentium čipova od 60 MHz na procesore na gigahercnoj razini u roku od deset godina.
Sada se čini da su čak i vrhunski procesori prestali povećavati svoje taktove. Namjenski overklokeri mogu natjerati najbolji silicij na oko 9 GHz sa sustavima za hlađenje tekućim dušikom, ali za većinu korisnika granica od 5 GHz još nije pređena.
Intel je nekad planirao doći do procesora od 10 GHz, no to je i danas nedostižno kao i prije deset godina. Zašto se brzina takta procesora prestala povećavati? Hoće li se brzina takta procesora ponovno početi povećavati ili je to vrijeme prošlo?
Zašto se brzina takta procesora ne povećava: toplina i snaga
Kao što znamo iz Mooreov zakon, veličina tranzistora se redovito smanjuje. To znači da se više tranzistora može spakirati u procesor. Obično to znači veću procesorsku snagu. U igri je i drugi faktor, tzv Dennard skalira
. Ovaj princip kaže da snaga potrebna za pokretanje tranzistora u određenoj jedinici volumena ostaje konstantna čak i s povećanjem broja tranzistora.Međutim, počeli smo se susretati s granicama Dennardovog skaliranja, i neki su zabrinuti da se Moorov zakon usporava. Tranzistori su postali toliko mali da Dennardovo skaliranje više ne drži. Tranzistori se smanjuju, ali se povećava snaga potrebna za njihovo pokretanje.
Toplinski gubici također su glavni faktor u dizajnu čipova. Gomilanje milijardi tranzistora na čipu i njihovo uključivanje i isključivanje tisućama puta u sekundi stvara tonu topline. Ta toplina je smrtonosna za silicij velike preciznosti i velike brzine. Ta toplina mora negdje otići, a za održavanje razumnih brzina takta potrebna su odgovarajuća rješenja hlađenja i dizajn čipova. Što je više tranzistora dodano, rashladni sustav mora biti robusniji kako bi prihvatio povećanu toplinu.
Povećanje takta također podrazumijeva povećanje napona, što dovodi do kubnog povećanja potrošnje energije za čip. S povećanjem brzine takta stvara se više topline, što zahtijeva snažnija rješenja za hlađenje. Pokretanje tih tranzistora i povećanje takta zahtijeva veći napon, što dovodi do dramatično veće potrošnje energije. Dok pokušavamo povećati brzinu takta, otkrivamo da se potrošnja topline i energije dramatično povećava. Na kraju se povećavaju zahtjevi za energijom i brzina takta proizvodnje topline.
Zašto se brzina takta procesora ne povećava: problemi s tranzistorima
Dizajn i sastav tranzistora također sprječavaju jednostavne brzine naslova koje smo nekad vidjeli. Iako se tranzistori pouzdano smanjuju (svjedoci smanjuju veličinu procesa s vremenom), oni ne rade brže. Obično su tranzistori postajali brži jer su se njihova vrata (dio koji se pomiče kao odgovor na struju) istanjila. Ipak, od Intelovog procesa od 45 nm, tranzistorska vrata su debela približno 0,9 nm, odnosno otprilike širine jednog atoma silicija. Iako različiti materijali tranzistora mogu omogućiti brži rad vrata, lako povećanje brzine koje smo nekad imali vjerojatno je nestalo.
Brzina tranzistora više nije jedini faktor takta. Danas su žice koje povezuju tranzistore također veliki dio jednadžbe. Kako se tranzistori smanjuju, tako se žice koje ih spajaju smanjuju. Što su žice manje, veća je impedancija i niža struja. Pametno usmjeravanje može pomoći u smanjenju vremena putovanja i proizvodnji topline, ali dramatično povećanje brzine može zahtijevati promjenu zakona fizike.
Zaključak: Zar ne možemo bolje?
To samo objašnjava zašto je teško dizajnirati brže čipove. Ali ti su problemi s dizajnom čipova već bili riješeni, zar ne? Zašto se oni ne mogu ponovno prevladati uz dovoljno istraživanja i razvoja?
Zahvaljujući ograničenjima fizike i trenutnom dizajnu materijala tranzistora, povećanje takta trenutno nije najbolji način za povećanje računalne snage. Danas veća poboljšanja u snazi dolaze od dizajna višejezgrenih procesora. Kao rezultat toga, vidimo čipove poput najnovijih AMD -ovih ponuda, s dramatično povećanim brojem jezgri. Dizajn softvera još nije dostigao ovaj trend, ali čini se da je to danas primarni smjer dizajna čipova.
Veće brzine takta ne moraju značiti i brža i bolja računala. Mogućnosti računala mogu se povećati čak i ako su brzine takta procesora visoke. Trendovi u višejezgrenoj obradi pružit će veću procesorsku snagu pri istim brzinama naslova, osobito s poboljšanjem softverske paralelizacije.
Kredit za sliku: ourworldindata.org
Otkrivanje podružnica: Make Tech Easier može zaraditi proviziju na proizvodima kupljenim putem naših veza, što podržava posao koji radimo za naše čitatelje.
