Frecuencia de reloj máxima de los microprocesadores

Recientemente, escuché que AMD lanzó la nueva serie Vishera de procesadores FX que funcionan a 5 GHZ. Mi pregunta es si hay algún límite superior de frecuencia de reloj de un procesador. Es decir, ¿podemos seguir aumentando la frecuencia del reloj para siempre? ¿Qué problemas eléctricos enfrentaremos a velocidades de reloj más altas?

Respuestas (2)

EDITAR : Esta pregunta dio lugar a largas discusiones. Es crucial comprender que el hecho de que las velocidades de las CPU no hayan aumentado en los últimos años está relacionado con aspectos comerciales y no directamente relacionados con ningún problema físico o de ingeniería. Puede consultar este enlace para conocer las frecuencias más altas alcanzadas con las CPU existentes mediante overclocking y supercooling.

Desde la invención de la primera PC y hasta principios de los 2000 el principal parámetro de cada CPU era su frecuencia (frecuencia máxima de operación). Los fabricantes trataron de idear nuevas tecnologías que permitieran frecuencias más altas, y los diseñadores de chips trabajaron muy duro para desarrollar microarquitecturas que permitieran que el chip funcionara en una frecuencia más alta.

Sin embargo, a medida que los chips se hicieron más pequeños y rápidos, surgió el problema de la disipación de calor: cuando no se podía disipar toda la cantidad de calor generado por los transistores de conmutación, los chips se dañaban. Los ingenieros comenzaron a conectar disipadores de calor a los procesadores, luego a los ventiladores, pero finalmente llegaron a la conclusión de que el enfoque de aumentar la frecuencia de la CPU ya no es práctico en términos de rendimiento adicional por costo adicional.

En otras palabras: las frecuencias de la CPU se pueden aumentar, pero esto hace que las CPU (de hecho, no las CPU, sino los mecanismos de refrigeración) sean demasiado caras. Los consumidores no comprarán computadoras costosas si existe una alternativa .

En general, los procesos tecnológicos actuales permiten un funcionamiento de muy alta frecuencia (muy por encima de los ~3 GHz que suele utilizar Intel, e incluso los 5 GHz de AMD no son el techo). Sin embargo, el costo asociado de los dispositivos de enfriamiento que se requieren a estas altas frecuencias es demasiado alto.

Me gustaría enfatizar esto: no hay ningún efecto físico que impida el desarrollo de procesadores de 8-10 GHz con la tecnología actual . Sin embargo, deberá proporcionar un mecanismo de enfriamiento muy costoso para evitar que dicho procesador se queme.

Además, los procesadores suelen funcionar en "ráfagas": tienen períodos de inactividad muy largos, seguidos de períodos cortos, pero muy intensivos (y, por lo tanto, que consumen mucha energía). Los ingenieros podrían construir un procesador de 10 GHz que funcione a las frecuencias más altas durante cortos períodos de tiempo (y no se requiere refrigeración adicional porque los períodos son cortos), pero este enfoque también se rechazó por no tener valor (altas inversiones en desarrollo en comparación con ganancias cuestionables) . Sin embargo, después de futuras mejoras microarquitectónicas, este enfoque puede reconsiderarse. Creo que este procesador AMD de 5 GHz no funciona constantemente a 5 GHz, sino que eleva su reloj interno al máximo durante ráfagas cortas.

LÍMITE FÍSICO: existe un límite físico para una velocidad de reloj máxima alcanzable para cada tecnología de proceso (que depende del tamaño mínimo de la función de la tecnología), sin embargo, creo que el último procesador de Intel que realmente había llegado a este límite fue el Pentium 4. Esto significa que hoy en día, cuando la tecnología avanza y se reduce el tamaño mínimo de la función (mientras tanto, de acuerdo con la ley de Moore), el único beneficio de esta reducción es que puede incluir más lógica en la misma área (los ingenieros ya no llevan la frecuencia de la CPU al límite de la tecnología).

Por cierto, el límite anterior no puede aumentar para siempre. Lea sobre la ley de Moore y los problemas asociados con su aplicación posterior.

Entonces, ¿usted dice que, de acuerdo con la ley de Moore, dado que la cantidad de componentes aumentará, pronto nos quedaremos sin espacio para un procesador que se enfríe y funcione de manera eficiente?
@AnuragPallaprolu, no sé a qué te refieres con "pronto se quedará sin espacio". Ya hemos cruzado el punto en el que el aumento de frecuencia (que es posible) no es comercialmente beneficioso. Sin embargo, no creo que el problema de la disipación de calor reduzca las frecuencias operativas en el futuro: mientras aumenta la cantidad de transistores, la potencia activa disipada por cada transistor disminuye. Podemos discutir la implicación de un fuerte aumento en la potencia de fuga, pero no es el tema de esta pregunta.
¿No se verán afectados otros componentes por frecuencias más altas? Ellos también deberían fichar para sincronizar, ¿verdad?
No necesariamente. Las CPU modernas usan muchos relojes (internamente). Algunos son más rápidos, otros son más lentos. Existen soluciones sólidas para los problemas de sincronización (comúnmente conocidos como problemas de cruce de dominios de reloj).
@AnuragPallaprolu, edité mi respuesta. Es la respuesta más completa que puedo dar. Incluso encontré algo nuevo para mí: hay récords mundiales monitoreados para las frecuencias de las CPU. Puede ver allí que incluso los procesadores que no fueron diseñados para funcionar a 8 GHz pueden alcanzar estas frecuencias.
¡Muchas gracias mon cher ami @VasiliyZukanov! He comprendido. Marcando como respuesta!
Sospecho que una de las principales razones por las que las velocidades de la CPU no se están llevando al límite es que, debido a los efectos del almacenamiento en caché, es más rentable utilizar una mayor cantidad de núcleos más lentos que una menor cantidad de núcleos más rápidos. La limitación no está en las velocidades de la CPU en sí, sino en el hecho de que mejorar la velocidad de ejecución de una CPU en un factor de mil millones no haría que los programas se ejecutaran mil millones de veces más rápido, sino que aumentaría la fracción de su velocidad. tiempo que la CPU desperdiciaba mientras esperaba que los datos fueran movidos a/desde la memoria.
@supercat, la velocidad de reloj 2x nunca ganó el rendimiento 2x. Lo que dice suena razonable, pero también lo era hace 15 años: las frecuencias de reloj seguían aumentando. Además, los esquemas de caché actuales son muy sofisticados y alcanzan una tasa de aciertos muy por encima del 90%: solo una pequeña fracción de las instrucciones de carga/almacenamiento dan como resultado accesos a la memoria fuera del chip.
@Vasiliy: ¿Qué quiere decir con que "nunca" ganó el doble de rendimiento? Cambie un Commodore 128 de 1,0227 MHz a 2,0454 MHz y todas las operaciones basadas en el procesador serán el doble de rápidas. El rendimiento en realidad será un poco más del doble, ya que la sobrecarga del tic del temporizador se reducirá a la mitad. Las tasas de aciertos de caché han mejorado con el tiempo, pero las penalizaciones por pérdida de caché también han aumentado. Si uno tiene una tasa de aciertos de caché del 99%, pero una penalización de 100 ciclos en caso de error, pasará tanto tiempo esperando la memoria como haciendo todo lo demás. Duplicar la velocidad de "todo lo demás" solo mejorará el rendimiento en un 33 %.
@supercat, incluso para esta computadora antigua, duplicar la frecuencia de la CPU no conducirá a duplicar el rendimiento. Hay muchas razones, pero solo piense en la velocidad de la unidad de disquete: es independiente de la velocidad de la CPU, por lo tanto, la latencia asociada con las lecturas del disquete no aumentará. De todos modos, la pregunta no es si la velocidad de reloj 2x conduce a un rendimiento 2x. Lo que dices es correcto, pero no es la razón para no aumentar la velocidad de la CPU.
@Vasiliy: En máquinas que carecían de hardware DMA para sus unidades de disquete, duplicar la velocidad de la CPU probablemente podría haber aumentado la velocidad del disquete al menos al doble. Mi punto es que en las máquinas más nuevas, los beneficios de duplicar la velocidad de la CPU serían insuficientes para justificar el costo . Eso es, en cierta medida, el resultado del aumento de los costos, pero también el resultado de la disminución de los beneficios.
@supercat, esto es exactamente lo que escribí en mi respuesta: es posible, pero es demasiado costoso para la producción en masa. Me alegro de que estemos de acuerdo en este punto ;)

Hay límites físicos.

La frecuencia del procesador está limitada por:

  • la velocidad de la corriente eléctrica (por ejemplo en el cobre)
  • la velocidad de conmutación de los transistores
  • el tamaño del procesador

Digamos que tiene un multiplicador y un registro en la CPU. Algunas variables de entrada se multiplican y luego se almacenan en el registro.

La señal eléctrica necesita tiempo para viajar a través de las líneas de señal y los transistores.

Si aumenta demasiado la frecuencia del reloj, entonces la multiplicación no habrá terminado cuando comience el próximo ciclo. ¡Y es posible que desee usar el resultado de la multiplicación en la próxima instrucción!

Entonces, si la CPU es más pequeña, puede ponerle una frecuencia más alta.

Ver también: Retraso de propagación Cuello de botella de interconexión

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