Веднъж имаше време, когато скоростта на тактова честота на процесора нарасна драматично от година на година. През 90-те и началото на 2000-те години процесорите се увеличиха с невероятни скорости, като снимаха от 60 MHz Pentium чипове до процесори на ниво гигахерц в рамките на едно десетилетие.

Сега изглежда, че дори процесорите от висок клас са спрели да увеличават тактовите си скорости. Специализираните овърклокерци могат да задействат най-добрия силиций до около 9 GHz с охладителни системи с течен азот, но за повечето потребители 5 GHz е граница, която все още не е приета.

Intel някога планира да достигне до 10-гигахерцов процесор, но това остава като недостижимо днес, както преди десет години. Защо скоростта на часовника на процесора спре да се увеличава? Дали скоростта на часовника на процесора ще започне да се увеличава отново или ще изтече времето?

Защо скоростта на CPU часовете не се увеличава: топлина и мощност

Както знаем от закона на Мур, размерът на транзистора се свива редовно. Това означава, че повече транзистори могат да бъдат опаковани в процесор. Обикновено това означава по-голяма мощност на обработка. Съществува и друг фактор в играта, наречен Denar Scaling. Този принцип посочва, че мощността, необходима за управление на транзисторите в определен обем на единица, остава постоянна, дори броят на транзисторите да се увеличава.

Но ние сме започнали да се сблъскваме с границите на мащаба на Денедар, а някои се притесняват, че законът на Мур се забавя. Транзисторите са станали толкова малки, че маншетът на Денърд вече не притежава. Транзисторите се свиват, но се увеличава мощността, необходима за тяхното управление.

Термичните загуби също са основен фактор при проектирането на чипове. Крамирането на милиарди транзистори на чип и включването и изключването им хиляди пъти в секунда създава тон на топлина. Тази топлина е смъртоносна за високо прецизен и високоскоростен силиций. Тази топлина трябва да отиде някъде, и подходящи решения за охлаждане и проектиране на чипове са необходими за поддържане на разумни скорости на часовника. Колкото повече транзистори се добавят, толкова по-стабилна е охладителната система, за да се поеме по-голямата топлина.

Увеличаването на тактовите честоти също предполага увеличаване на напрежението, което води до кубично увеличение на консумацията на енергия за чипа. Тъй като скоростите на часовника се покачват, се генерира повече топлина, изискваща по-мощни решения за охлаждане. Работата на тези транзистори и увеличаването на тактовите честоти изисква по-голямо напрежение, което води до значително по-голямо потребление на енергия. Така че, докато се опитваме да увеличим скоростта на часовника, установяваме, че потреблението на топлина и енергия нараства драматично. В крайна сметка се увеличават изискванията за мощността и производителността на топлинната енергия.

Защо скоростта на CPU часовника не се увеличава: Транзисторни проблеми

Транзисторният дизайн и композиция предотвратяват и лесните тактови честоти, които веднъж видяхме. Тъй като транзисторите надеждно стават все по-малки (с течение на времето свиват свиващите се размери), те не работят по-бързо. Обикновено транзисторите са станали по-бързи, защото техните врати (частта, която се движи в отговор на тока) са изтънени. От 45-нанометровия процес на Intel транзисторният порта е с дебелина около 0.9 nm, или около ширината на един силициев атом. Докато различни транзисторни материали могат да позволят по-бърза работа на вратата, лесната скорост, която някога сме имали, вероятно са изчезнали.

Скоростта на транзистора също не е единственият фактор в скоростта на часовника. Днес проводниците, свързващи транзисторите, също са голяма част от уравнението. Тъй като транзисторите се свиват, така и кабелите, които ги свързват. Колкото по-малки са проводниците, толкова по-голям е импедансът и се намалява токът. Интелигентното маршрутизиране може да помогне за намаляване на времето за пътуване и производството на топлина, но драстичното увеличение на скоростта може да изисква промяна в законите на физиката.

Заключение: Не можем ли да направим по-добре?

Това просто обяснява защо разработването на по-бързи чипове е трудно. Но тези проблеми с чип дизайн бяха завладени преди, нали? Защо не могат отново да бъдат преодолени с достатъчна научноизследователска и развойна дейност?

Благодарение на ограниченията на физиката и текущия дизайн на транзисторския материал, увеличаването на скоростта на часовника в момента не е най-добрият начин за увеличаване на изчислителната мощност. Днес по-големи подобрения в мощта идват от многоядрени процесори. В резултат на това виждаме чипове като последните предложения на AMD, с драстично увеличен брой ядра. Дизайнът на софтуера все още не е достигнал тази тенденция, но днес изглежда е основната посока на чип дизайн.

По-бързите скорости на часовника не означават непременно по-бързи и по-добри компютри. Компютърната способност все още може да се увеличи, дори ако скоростта на часовника на процесора се понижи. Тенденциите в многоядрената обработка ще осигурят по-голяма обработваща мощ при същите скорости на заглавието, особено когато се подобрява паралелизацията на софтуера.

Image credit: ourworldindata.org