Det var en gang da CPU-klokkehastigheten økte dramatisk fra år til år. I 90-tallet og begynnelsen av 2000-tallet økte prosessorene med utrolige hastigheter, skyting fra 60 MHz Pentium-chips til gigahertz-nivåprosessorer innen et tiår.

Nå ser det ut som at selv high-end prosessorer har sluttet å øke klokkehastighetene. Dedikerte overklokkere kan tvinge det beste silikonet til rundt 9 GHz med flytende nitrogen kjølesystemer, men for de fleste brukere er 5 GHz en grense som ennå ikke er bestått.

Intel planla en gang å nå en 10 GHz prosessor, men det er fortsatt like utenfor rekkevidde som det var for ti år siden. Hvorfor stoppet prosessorens klockhastighet økende? Vil prosessorens klokkehastighet begynne å øke igjen, eller har den tiden gått?

Hvorfor CPU-klokkefrekvensen ikke øker: Varm og kraft

Som vi vet fra Moores lov, krymper transistorstørrelsen jevnlig. Dette betyr at flere transistorer kan pakkes inn i en prosessor. Vanligvis betyr dette større prosessorkraft. Det er også en annen faktor på spill, kalt Dennard-skalering. Dette prinsippet fastslår at strømmen som trengs for å kjøre transistorer i et bestemt enhetens volum, forblir konstant, selv om antall transistorer øker.

Vi har imidlertid begynt å møte grensene for Dennard-skalering, og noen er bekymret for at Moores lov sakner seg. Transistorer har blitt så små at Dennard skalering ikke lenger holder. Transistorer krymper, men kraften som kreves for å kjøre dem, øker.

Termiske tap er også en viktig faktor i chipdesign. Cramming milliarder av transistorer på en brikke og slå dem på og av tusenvis av ganger per sekund skaper massevis av varme. Denne varmen er dødelig til høy presisjon og høyhastighets silisium. Denne varmen må gå et sted, og det er nødvendig med riktig kjølingsløsninger og chipdesign for å opprettholde rimelige klokkehastigheter. Jo flere transistorer legges til, desto sterkere må kjølesystemet være for å imøtekomme den økte varmen.

Økning i klokkehastighet innebærer også en spenningsøkning, noe som fører til en kubisk økning i strømforbruket for brikken. Så som klokkehastigheten går opp, genereres mer varme, noe som krever kraftigere kjøleløsninger. Kjører disse transistorene og økende klokkehastighet krever mer spenning, noe som fører til dramatisk større strømforbruk. Så vi prøver å øke klokkefrekvensen, og vi ser at varme og strømforbruk øker dramatisk. Til slutt øker effektkravene og varmeproduksjonens utgangsklokkehastighet.

Hvorfor CPU-klokkeslett ikke øker: Transistorproblemer

Transistor design og sammensetning forhindrer også de enkle overskriftshastighetene vi en gang så. Mens transistorer blir pålitelig mindre (vitner krympende prosessstørrelser over tid), fungerer de ikke raskere. Vanligvis har transistorer blitt raskere fordi deres porte (den delen som beveger seg som svar på dagens) har tynnet ut. Likevel, siden Intels 45nm-prosess, er transistorporten ca. 0, 9nm tykk, eller om bredden av et enkelt silisiumatom. Mens forskjellige transistormaterialer kan tillate raskere portoperasjon, øker den enkle hastigheten vi en gang hadde, trolig borte.

Transistorhastigheten er heller ikke den eneste faktoren i klokkefrekvensen lenger. I dag er ledningene som forbinder transistorene også en stor del av ligningen. Som transistorer krymper, så gjør ledningene forbinder dem. Jo mindre ledningene er, jo større er impedansen og senker strømmen. Smart ruting kan bidra til å redusere reisetid og varmeproduksjon, men en dramatisk hastighetsøkning kan kreve endring i fysikkloven.

Konklusjon: Kan vi ikke gjøre det bedre?

Det forklarer bare hvorfor det er vanskelig å designe raskere sjetonger. Men disse problemene med chipdesign ble erobret før, ikke sant? Hvorfor kan de ikke bli overvunnet igjen med tilstrekkelig forskning og utvikling?

Takket være begrensningene i fysikk og dagens transistormaterialedesign er økende klokkehastighet for tiden ikke den beste måten å øke beregningskraften på. I dag kommer større forbedringer i kraft fra multi-core prosessor design. Som et resultat ser vi sjetonger som AMDs siste tilbud, med et dramatisk økt antall kjerner. Programvareutformningen har ennå ikke kommet opp til denne trenden, men det synes å være den primære retningen for chipdesign i dag.

Raskere klokkehastigheter betyr ikke nødvendigvis raskere og bedre datamaskiner. Datamaskinen kan fortsatt øke, selv om prosessorens klokkehastighetsplatåer. Trender i behandling med flere kjerne vil gi større prosessorkraft ved samme overskriftshastigheter, særlig ettersom programvareparallellisering forbedres.

Bildekreditt: ourworldindata.org