CPU 속도를 제한하는 것은 무엇입니까?

최근에 LaTeX 컴파일에 대해 친구와 이야기했습니다. LaTeX는 하나의 코어 만 사용하여 컴파일 할 수 있습니다. LaTeX 컴파일 속도의 경우 CPU의 클럭 속도가 가장 중요합니다 ( 최고의 LaTeX 컴파일 성능을 위해 하드웨어 선택 팁 참조 )

호기심으로 클럭 속도가 가장 높은 CPU를 찾았습니다. 클럭 속도가 가장 높은 4.4GHz ( 소스 )의 Intel Xeon X5698이라고 생각합니다 .

그러나이 질문은 판매되는 CPU에 관한 것이 아닙니다. 가격에 신경 쓰지 않으면 얼마나 빨리 얻을 수 있는지 알고 싶습니다.

따라서 한 가지 질문은 : CPU 속도에 물리적 제한이 있습니까? 얼마나 높습니까?

그리고 다른 질문은 : 지금까지 도달 한 최고 CPU 속도는 얼마입니까?

나는 항상 냉각 ( 열 )이 어려워 CPU 속도가 제한적이라고 생각했습니다 . 그러나 내 친구는 이것이 이유라고 의심합니다 (예를 들어 과학 실험에서 전통적이고 저렴한 냉각 시스템을 사용할 필요가없는 경우).

[2]에서는 전송 지연으로 인해 CPU 속도가 또 다른 제한을 받는다는 것을 읽었습니다 . 그러나 그들은 얼마나 빨리 얻을 수 있는지 언급하지 않습니다.

내가 찾은 것

• [1] 과학자들은 프로세서 속도에 대한 근본적인 최대 한계를 찾습니다 . 양자 컴퓨터에만 관한 것이지만이 질문은 "전통적인"CPU에 관한 것입니다.
• [2] 왜 CPU 속도에 제한이 있습니까?

나에 대해서

저는 컴퓨터 과학 학생입니다. CPU에 대해 알고 있지만 너무 많지는 않습니다. 그리고이 질문에 중요한 물리학은 더 적습니다. 가능하다면 대답을 명심하십시오.

실제로 CPU 속도를 제한하는 것은 생성 된 열과 게이트 지연 모두이지만, 일반적으로 후자가 시작되기 전에 열이 훨씬 더 큰 문제가됩니다.

최신 프로세서는 CMOS 기술을 사용하여 제조됩니다. 클럭 사이클이있을 때마다 전력이 소비됩니다. 따라서 프로세서 속도가 높을수록 더 많은 열이 방출됩니다.

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

다음은 몇 가지 수치입니다.

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

CPU 전이 전력이 (지수 적으로) 어떻게 증가하는지 실제로 볼 수 있습니다.

또한 트랜지스터의 크기가 줄어들면서 일부 양자 효과가 발생합니다. 나노 미터 수준에서 트랜지스터 게이트는 실제로 "누설"됩니다.

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

이 기술의 작동 방식에 대해서는 다루지 않겠지 만 Google을 사용하여 이러한 주제를 찾아 볼 수 있습니다.

이제 전송 지연에 대해 알아 보겠습니다.

CPU 내부의 각 "와이어"는 작은 커패시터 역할을합니다. 또한, 트랜지스터의베이스 또는 MOSFET의 게이트는 작은 커패시터로서 작용한다. 연결의 전압을 변경하려면 와이어를 충전하거나 충전을 제거해야합니다. 트랜지스터가 줄어들면 그렇게하기가 더 어려워집니다. 이것이 실제로 메모리 어레이 트랜지스터가 너무 작고 약하기 때문에 SRAM이 증폭 트랜지스터를 필요로하는 이유이다.

밀도가 매우 중요한 일반적인 IC 설계에서 비트 셀은 트랜지스터가 매우 작습니다. 또한 이들은 일반적으로 매우 큰 비트 라인 커패시턴스를 갖는 대형 어레이에 내장되어 있습니다. 이는 비트 셀에 의한 비트 라인의 방출을 매우 느리게 (상대적으로) 방출시킨다.

From : SRAM 감지 증폭기를 구현하는 방법?

기본적으로 요점은 작은 트랜지스터가 상호 연결을 구동하기가 더 어렵다는 것입니다.

또한 게이트 지연이 있습니다. 최신 CPU에는 파이프 라인 단계가 10 개 이상, 아마도 최대 20 개가 있습니다.

파이프 라이닝의 성능 문제

유도 효과도 있습니다. 마이크로파 주파수에서는 상당히 중요해집니다. 누화와 그런 것들을 찾아 볼 수 있습니다.

이제 3265810 THz 프로세서를 작동 시키더라도 시스템의 나머지 부분이 얼마나 빨리 지원할 수 있는지에 대한 또 다른 실질적인 한계가 있습니다. RAM, 스토리지, 글루 로직 및 기타 빠른 상호 연결 성능을 갖추거나 거대한 캐시가 필요합니다.

도움이 되었기를 바랍니다.

열 문제는 퍼지 헤어로 잘 덮여 있습니다. 전송 지연을 요약하려면 다음 사항을 고려하십시오. 전기 신호가 마더 보드를 통과하는 데 필요한 시간은 현재 최신 CPU의 클럭주기보다 두 배 이상 입니다. 따라서 더 빠른 CPU를 만드는 것은 큰 성과를 거두지 못할 것입니다.

초고속 프로세서는 실제로 엄청난 수의 크 런칭 프로세스에만 유용하며 코드가 칩 내부에서 작동하도록 신중하게 최적화 된 경우에만 유용합니다. 데이터를 위해 다른 곳으로 자주 가야하는 경우, 그 추가 속도가 모두 낭비됩니다. 오늘날의 시스템에서는 대부분의 작업을 병렬로 실행할 수 있으며 큰 문제는 여러 코어로 나뉩니다.

라텍스 컴파일 프로세스가 다음과 같이 향상되는 것처럼 들립니다.

• 더 빠른 IO. RAMdisk를 시도하십시오.
• 다른 코어에서 다른 문서 실행
• 200 초짜리 이미지 집약적 인 작업이 2 초 안에 완료 될 것으로 예상하지 않음

물리적 한계에는 열, 게이트 지연 및 전기 전송 속도가 있습니다.

지금까지 최고 클럭 속도에서 세계 기록은 8722.78 MHz 입니다 ( 이 링크에 따름).

전기 전송 속도 (광 속도와 거의 동일)는 매체보다 데이터를 더 빨리 전송할 수 없으므로 절대 물리적 한계입니다. 동시에이 한계는 매우 높으므로 일반적으로 제한 요소가 아닙니다.

CPU는 방대한 양의 게이트로 구성되며, 그중 상당수가 직렬로 연결됩니다. 높은 상태 (예 : 1)에서 낮은 상태 (예 : 0)로 또는 그 반대로 전환하는 데 시간이 걸립니다. 이것이 게이트 지연입니다. 따라서 100 개의 게이트가 직렬로 연결되어 있고 1 개의 스위치가 전환되는 데 1ns가 걸리는 경우, 모든 것이 유효한 출력을 제공 할 때까지 최소 100ns를 기다려야합니다.

이 스위치는 CPU를 가장 많이 사용하는 것입니다. 즉, 클럭 속도를 높이면 더 많은 스위치를 얻을 수 있으므로 더 많은 전력을 사용하므로 열 출력이 증가합니다.

과전압 (=> 더 많은 전력을 제공)은 게이트 지연을 조금 줄이지 만 열 출력을 다시 증가시킵니다.

약 3 GHz 어딘가에 클럭 속도를 높이기위한 전력 사용이 크게 증가합니다. 이것이 1.5GHz CPU가 스마트 폰에서 실행될 수있는 반면 대부분의 3-4GHz CPU는 랩톱에서도 실행될 수없는 것입니다.

그러나 클럭 속도 만이 CPU 속도를 높일 수있는 것은 아니며 파이프 라인 또는 마이크로 코드 아키텍처에서의 최적화로 인해 상당한 속도 향상이 발생할 수 있습니다. 그렇기 때문에 3GHz Intel i5 (Dualcore)가 3GHz Intel Pentium D (Dualcore)보다 몇 배 빠릅니다.

귀하의 질문에 대한 답변은 다음과 같습니다. 그렇습니다 . CPU 속도 에는 물리적 한계가 있습니다. 이론상 최대 한계는 "스위치"가 상태를 얼마나 빨리 전환 할 수 있는지에 의해 설정됩니다. 전자를 스위치의 기초로 사용한다면, 보어 반경 과 가능한 가장 빠른 속도 을 사용하여 주파수 를 계산합니다 상기 현재 기술의 상태는, 실제의 제한은 약 c = 3 × 10 8 , F =

따라서 한 가지 질문은 : CPU 속도에 물리적 제한이 있습니까?

그것은 CPU 자체에 크게 의존합니다. 제조 공차는 물리적 한계가 동일한 웨이퍼에서도 칩마다 조금씩 다르다는 사실을 초래합니다.

전송 지연으로 인해 CPU 속도에 또 다른 제한이 있습니다. 그러나 그들은 얼마나 빨리 얻을 수 있는지 언급하지 않습니다.

그것은 칩 디자이너가 만들 transmission delay거나 speed path length선택 했기 때문 입니다. 간단히 말해서, 단일 클럭 사이클에서 로직이 얼마나 많은 작업을 수행하는지 입니다. 논리가 복잡할수록 최대 클럭 속도가 느려지지만 전력 소비도 줄어 듭니다.

이것이 벤치 마크를 사용하여 CPU를 비교하려는 이유입니다. 사이클 당 작업 수는 크게 다르므로 원시 MHz를 비교하면 잘못된 아이디어를 얻을 수 있습니다.

실제로, 그것은 전압의 제곱에 대략 비례하는 화력을 결정 짓는 것입니다 : http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview 모든 재료는 냉각 효율을 제한하는 비열 용량을 가지고 있습니다.
냉각 및 전송 지연에 대한 기술적 문제를 고려하지 않으면 신호가 초당 CPU 내에서 이동할 수있는 거리를 제한하는 빛의 속도를 알 수 있습니다. 따라서 CPU는 더 빨리 작동하도록 samller를 가져와야합니다. 마지막으로, 그것은 특정 주파수 이상으로 작동하고 있으며, cpu는 전자파 기능 (Scheedinger의 방정식에 따라 파동 함수로 모델링 된 전자)에 대해 투명해질 수 있습니다.
2007 년 일부 물리학 자들은 작동 속도의 기본 한계를 계산했습니다.http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

다른 모든 대답뿐만 아니라 CPU 속도에 직접 영향을 미치지 않지만 CPU 주위에 무언가를 구축하는 것을 상당히 어렵게 만드는 몇 가지 다른 고려 사항도 있습니다.

요컨대, DC 이상에서는 무선 주파수가 문제가됩니다. 빨리 갈수록 모든 것이 거대한 라디오 역할을하는 경향이 있습니다. 이는 PCB 트레이스에 크로스 토크, 인접한 트랙 / 접지면, 노이즈 등과 같은 고유 커패시턴스 / 인덕턴스의 영향 등이 있음을 의미합니다.

더 빨리 갈수록이 모든 것이 더 나빠집니다 . 예를 들어 컴포넌트 레그 가 허용 할 수없는 인덕턴스를 유발할 수 있습니다.

DDR RAM이있는 Raspberry Pi 레벨의 "기본"PCB 레이아웃 지침을 살펴보면 데이터 버스 등의 모든 트레이스 길이가 동일해야하고 올바른 종료 등이 있어야합니다. 1GHz 미만으로 잘 작동합니다.