Почему не делают процессоры с тактовой частотой десятки ГГц?

Question

[Евгений Лернер]

Процессоры имеют тактовую частоту около 5ггц. Уже есть транзисторы с частотой десятки ГГц. Почему не делают процессоры с такой частотой?

Comments

[LaoWai2000]

Кольцевой генератор на инверторах, насколько я помню, можно сделать гигагерц на сто в кремнии при современных технологиях. Т.е. простейший процессор типа ядра микроконтроллера PIC16, думаю, можно с тактовкой гигагерц на 100 и сделать. Будет ли это актуально? Думаю, нет.

[Евгений Лернер]

LaoWai2000, будет актуально когда упрутся в предел уменьшения размера транзистора

Answer 1

[VoidVolker]

Физика и материалы. На уровне транзистора частота - это то, как быстро транзистор может переключаться из одного состояния в другое. Это требует затрат времени и энергии. Чем быстрее транзистор переключается - тем больше частота. Чтобы быстрее переключить транзистор можно приложить больше энергии, а больше энергии - больше тепловыделение из-за сопротивления. А чем больше температура - тем больше сопротивление и нагрев ещё выше. Вместе с ростом температуры меняются и свойства транзисторов, и то, как они работают. Плюс каждое переключение тоже требует затрат энергии и тоже увеличивает тепловыделение. Плюс ещё и надо всю эту энергию подвести к каждому транзистору - это тоже требует линий, по которым течёт ток и, которые тоже выделяют тепло. Ещё есть, например, такие факторы, как скорость света и синхронизация сигналов в разных частях микросхемы - из-за чего приходится замедлять и удлинять некоторые линии связи между транзисторами, чтобы в нужном месте сигнал пришёл в нужное временное окно. А в современных процессорах миллиарды транзисторов. И каждый из них должен работать в чётко в нужное время. Не забываем, про то, что даже два одинаковых транзистора могут чуток отличаться характеристиками. А из-за уменьшения техпроцессов ещё надо учитывать различные квантовые и пограничные эффекты. И такого рода факторов - огромное количество. Поэтому и разрабатывают постоянно новые виды транзисторов, новые материалы, новые средства производства и прочее.

На самом деле рост частоты процессоров есть - четверть века назад процессоры на полтора-два гигагерца были нормой. Сейчас уже норма - 4-5 гигагерц. Так что прирост частоты есть - просто очень медленный. На самом деле есть транзисторы и даже процессоры (конечно, очень простые и ограниченные) на терагерцы - это очень узкоспециализированные устройства. Например, такие работают в детекторах ускорителей частиц - ATLAS и CMS в большом адронном коллайдере. Они охлаждаются жидким гелием и работают при температуре чуть выше абсолютного нуля. Там вообще очень сложная многоступенчатая система из нескольких вычислительных систем, которые фильтруют первичные потоки данных объёмом в террабиты/с. Или, ещё например терагерцовые сканеры на десятки и сотни терагерц.

Ну и добавлю возможно не всем очевидную вещь: резкие технологические скачки не выгодны большому бизнесу - выгоднее доить потребителей и медленно наращивать ТТХ.

Comments

[Евгений Лернер]

В общем это экономика. Стоит ли игра свеч. В основном пишут об ограничениях кремния и расходе энергии. Но материал, хоть он и дорогой составляет ничтожную часть стоимости чипа. Теплоотвод может быть принудительным . Расход энергии это повышенные эксплуатационные затраты. Надо считать затраты на единицу производительности.
Видимо скоро скорость вырастет,

[VoidVolker]

Евгений Лернер,

В общем это экономика. Стоит ли игра свеч.

Не только. Как я уже сказал - тут огромное количество факторов. И физика с материалами - лишь часть.

Но материал, хоть он и дорогой составляет ничтожную часть стоимости чипа.

Да, это так. Но есть ещё такие вещи как инструменты производства, исследования и проектирование, отработка производства, так ещё и куча других производственных цепочек, чтобы в итоге получить оборудование, которое сможет произвести нужное. Производство современного процессора - это глобальный процесс, затрагивающий тысячи и десятки тысяч заводов, фабрик и различных компаний по всему миру. И у них свои техпроцессы тоже есть. И для каждого следующего поколения чипов надо строить новый завод с новым оборудованием.

Видимо скоро скорость вырастет,

Ага, конечно. 144-х ядерный процессор, производительностью до 100 миллиардов операций в секунду с потреблением в милливаты ещё в 2010 году был успешно создан и начато производство (GA144). Увы, мировым финансовым воротилам такие резкие технологические скачки совсем не выгодны. И таких примеров много, очень много, увы.

[Евгений Лернер]

Это интересно. Значит всё-таки можно повышать частоту. Просто сейчас выгоднее увеличивать размер чипа и уменьшать размер транзистора. Но это уже на пределе.

[VoidVolker]

Евгений Лернер, конечно можно, но как я уже сказал - ценой тепловыделения чипа и кучей других последствий.
9,1 гигагерца на десктопном процессоре: https://3dnews.ru/1094607/intel-core-i914900k-razo...
Поэтому да, выгоднее использовать два ядра по 5ГГц с потреблением, 80 градусах температуры и потреблением в сотню ватт энергии, чем одно ядро на 10Ггц при минус 260 градусах и парой-тройкой киловат затрат на охлаждение.

[Евгений Лернер]

VoidVolker, охлаждение до 30 это вообще не проблема. Теплоноситель с температурой кипения 25,тепловая труба к радиатору . Думаю 50 ГГц уже скоро будет выгодно делать.

[15432]

Евгений Лернер, да, нет, вам тут объясняют что кремний такая штука, что уже на 6 ГГц утечки питания огромны, и для даже 10 ГГц нужно менять весь техпроцесс, а это триллионы долларов, совершенно новые технологии и фабрики. Не увидите вы 50 ГГц ещё лет 40

[VoidVolker]

Евгений Лернер,

охлаждение до 30 это вообще не проблема. Теплоноситель с температурой кипения 25,тепловая труба к радиатору . Думаю 50 ГГц уже скоро будет выгодно делать.

До 30 чего именно не проблема? Кельвина? Цельсия? Вы вообще читали мой ответ или нет? Чтобы выжать из современного десктопного процессора 9 гигагерц вам надо охлаждать его жидким гелием до температуры немного выше абсолютного нуля и затраты энергии на такое охлаждение - киловатыт, если не десятки киловатт. КПД такой системы в районе нескольких процентов. И такая система охлаждения по размерам как двухметровый холодильник или даже парочка. Вы вообще понимаете, что такое -260 градусов на процессоре? Это постоянно нарастающий вокруг лёд, материнская плата буквально запакованная и запрессованная в теплоизоляцию, ибо достаточно одной капли воды, чтобы она сгорела - и они горят, регулярно. Причём оверклокеры обычно используют простой медный стакан, в который тупо заливают жидкий азот или гелий, а не промышленную установку.

Охлаждение процессора жидким азотом

А чтобы выжать из кремния 50 Гигагерц в нормальных условиях эксплуатации надо полностью новую технологию создать на новых принципах и понимании фундаментальных законов вселенной. Проще найти альтернативные материалы: углерод - один из самых перспективных вариантов. Так что снимите ваши розовые очки и ознакомьтесь с матчастью более детально.

[Лев]

VoidVolker, не получится сравнивать разные архитектуры между собой по производительности. Давно есть arm процы 256 и 384 ядра, вот только там сильно сокращённый набор инструкций и поиграть в КС на нем со всеми эмуляциями x86 получится не лучше, чем на старом i3. Специфические блоки с набором инструкций сильно упрощают многие задачи, поэтому все ещё персоналки на этой архитектуре ездят. Плюс, если говорить об играх - это интерактивность, ее нельзя прочитать заранее, все зависит от действий игрока и приходится все вычислять в реальном времени. Расчеты цепляются один за другой и приходится ждать предыдущих результатов, в этом проблема распараллелить на 10+ ядер, не говоря уже о сотнях. Для графики проще, полигоны по cuda ядрам раскидали и они считают. Но игры - не только графика.
Второй момент - цена. Процы за десятки килобаксов могут быть интересны и выгодны организациям для рабочих целей (те же epic), но обычным юзерам они просто не нужны - игры там пойдут также, как на райзенах или потребительских интелах, которые на порядок дешевле и менее требовательны к охладу.
В общем для своих задач свое железо

[VoidVolker]

Лев,

не получится сравнивать разные архитектуры между собой по производительности

Верно, но я и не сравниваю, а просто привел пример удачного решения, которому перекрыли кислород из-за его слишком большой удачности.

В общем для своих задач свое железо

Полностью согласен.

[Ziptar]

VoidVolker,

которому перекрыли кислород из-за его слишком большой удачности.

Хватит эту чушь нести. Никому не нужен процессор общего назначения на ни с кем и ни с чем не совместимой архитектуре. Под него нет софта. И этот "никому" - это не "финансовые воротилы", не сионисты, не массоны, и не жидобандеровцы, это обычный потребитель.
Кто первый встал - того и тапки. Исторически так сложилось, что первым на массовый рынок встал 8086. У арма ушли несколько десятков лет, при наличии удачных обстоятельств - он первым встал на рынке портативных устройств - и инициативы одного из гигантов на десктопном потребительском рынке, чтобы встать рядом.
Чтобы поменять уже сложившийся рынок, несовместимое с существующими продуктами решение должно обладать уже даже не на порядки лучшими характеристиками, оно должно быть принципиально отлично, выполняя задачи, которые в принципе неспособны выполнять существующие решения. Ну то есть оно должно быть квантовым компьютером.

[VoidVolker]

Ziptar,
В целом, вы, конечно правы. Вот только GA144 не процессор общего назначения и не замена десктопу/арму - это именно молотилка чисел ориентированная под специализированные задачи типа цифровой обработки сигналов. И софт под этот процессор таки есть - да, Форт не очень распространённый ЯП, но есть и другие Форт процессоры, контроллёры, а так же различные Форт-системы общего и специального назначения. Ну и кроме того, компания-разработчик данного процессора основана самим разработчиком Форта как ЯП и системы. На GA144 был успешно создан слуховой аппарат, который как раз и уделывал по ТТХ и стоимости многократно более дорогие девайсы. Но, увы, на массовый рынок так и не вышел. Так что нет смысла спорить о причинах провала конкретно этого процессора и о теориях заговора. Происходящее прямо сейчас в мире отлично показывает, на что готов идти большой бизнес и его хозяева ради достижения своих целей.
А квантовые компьютеры в каждый дом нам обещали ещё 15 лет назад, так-то. А где они сейчас? Вот то-то и оно.

[Ziptar]

VoidVolker,

Происходящее прямо сейчас в мире отлично показывает, на что готов идти большой бизнес и его хозяева ради достижения своих целей.

Огласите весь список, что называется.
Рынком рулит спрос. Нет спроса - нет рынка.

А квантовые компьютеры в каждый дом нам обещали ещё 15 лет назад, так-то.

Электростанции на термоядерном синтезе уж сколько себя помню (а мне 33) уже вот-вот, прямо завтра, но всё не так просто. Я только сильно сомневаюсь, что квантовые компьютеры прямо таки заменят классические, мне очень трудно представить, как может в повседневных задачах работать чип, дающий предсказуемый результат лишь в 98% случаев, но нишу свою на рынке они найдут - это точно.

[Евгений Лернер]

Архитектура процессора Нико о не волнует. Если он поддерживает распространенный ассемблер, значит софт будет работать

[Евгений Лернер]

VoidVolker, объясняю для бестолковых- 30 Цельсия поддерживать не проблема. И никто не говорит что нужен жидкий азот. Уже есть транзисторы на 60ггц работающие при комнатной температуре

[VoidVolker]

Евгений Лернер, судя по всему вы всё же не понимаете, что наша вселенная работает по определённым законам и я не вижу смысла продолжать диалог, раз вы даже не читали или не хотите понимать мой ответ. Про ассемблер, машинный код и что это такое сами погуглите - на википедии всё подробно написано.

Answer 2

[15432]

Ограничения текущей кремниевой технологии. Для повышения частот нужно переходить на другие материалы, это уже прорабатывается и рассматривается. Пока что выгоднее фигачить больше ядер, чем увеличивать гигагерцы.

Comments

[Евгений Лернер]

Я так и думал. Выгоднее увеличивать плотность транзисторов чем частоту. Но плотность уже достигла предела. Посмотрим что будет с частотой

[rPman]

С ростом частоты идёт экспоненциальный рост потребления энергии/выделения тепла, отводить который ещё эффективнее не получается (там и так уже на грани, сам чип отводит тепло близко к идеальному)

Лучший способ масштабирования пока это вширь, повышать площадь чипа, увеличивать объем кеша, т.е. памяти по ближе... Но это дорого.

[pfg21]

Не только :)
Есть такой основополагающий параметр полупроводников как скорость движения зарядов.
В нитриде галлия к примеру он выше и потому нитрид галлия может быстрее переключаться, работать на более высоких частотах.
Сколько-то там ГГц это физический предел работы кремниевой электроники.
Для 10+ггц нужно другой материал, другой метод переключения, другой метод размещения элементов и т.д.
Попытки есть но покамест не для мейнстрима.

[verssetty]

Евгений Лернер, не достигла, интел готовит 1.8 или 1.2

Answer 3

[hint000]

Скорость распространения сигнала конечная. При частоте 5 ГГц половина длины волны в кремнии составляет около 7 мм.
Допустим, в одной точке кристалла происходит переключение из 0 в 1, а на следующем такте из 1 в 0; допустим, этот сигнал идёт по извилистым путям длиной 7 мм, хотя точка назначения всего в 1 мм или в 2 мм от исходной точки, и когда до конечной точки только доходит 1, исходная точка уже успела перейти в 0. Уже бардак какой-то, в таких условиях невозможно нормально работать. Приходится высчитывать микронные дистанции и решать головоломку со взаимным расположением блоков процессора даже при нынешних частотах. При десятках миллиардов транзисторов это сумасшедшая задача. Чтобы повысить частоту и сохранить синхронную работу всех частей процессора, нужно уменьшать расстояния, пробегаемые электронами, уменьшать размеры транзисторов. С этим трудности.

А вторая проблема - чем больше частота, тем больше потребление и нагрев.

Comments

[pfg21]

Все сигналы модуля просто будут синхронизированы :) а разные части проца/модули будут работать через асинхронные кеши :) в принципе технологии сии уже отработаны.

[hint000]

pfg21,

а разные части проца/модули будут работать через асинхронные кеши

Другими словами: даже на этих частотах вынуждены применять костыли. Ведь не стали бы усложнять архитекктуру этими асинхронными кешами, если бы удалось обойтись без них. И для дальнейшего увеличения частоты потребуется больше костылей. Больше транзисторов, которые не производят вычисления, но потребляют энергию и выделяют тепло, больше площадь кристалла, затрачиваемая на костыли. А ещё каждый костыль - это длительная работа высокооплачиваемых инженеров. Даже когда инженеры выдают гениальную идею, симуляция может не выявить причин, по которым идея не будет работать, а проверка в кремнии каждой идеи обходится очень дорого. Всё это и так нарастало в предыдущие годы, как снежный ком. С каждым следующим шагом количество проблем растёт и растёт. Каждый следующий шаг меньше предыдущего, как у Ахилла из парадокса Зенона. :)

[pfg21]

hint000, весь сорвеменный проц это череда костылей :) ну не дробятся некоторые задачи на параллельную работу :) ну жаба душит поставить рядом с процом большой равночастотный кеш, так взамест три уровня впендюрили и обвязали сложной системой перекачки данных между ними :) и т.д. и т.п..... так что как получилось так и работает.
плюс сама архитектура ч86 это сборище костылей и древних ~~ошметков~~ оп.кодов которые растягивают декодер команд до жутких размеров :)
ты тут на батьку тень не наводи !! костыли и максимально быстрый вывод в прокдашен это вообще основной метод разработки современного ИТ :)

[hint000]

pfg21,
toy_story.jpg
"Костыли... Они повсюду!"
:)

Answer 4

[Пума Тайланд]

Не учи в школах математику физику химию и другие науки все в жизни тебе будет казаться магией

Comments

[Сергей]

для людей не учивших магию мир полон физики

Answer 5

[elderl]

Потому что повышение тактовой частоты не так эффективно, как изменение архитектуры. Увеличение числа ядер, расширение специализированных команд и пр.

Answer 6

[Balling]

На самом деле делают. Например, на Pentium операция сложения занимает 0.20 латентности. То есть сумматор работает на частоте x2 от частоты CPU, 2 сумматора.

Также современные CPU типо 15 поколения Arrow Lake могут складывать числа (если они не выходят из 10 битного буфера) с нулевой латентностью. Кроме того Arrow Lake может делать до 3-ех умножений за цикл, если операций умножения достаточно много в коде.

Кроме того, VISa framework это отладочный интерфейс Intel. И он работает с 10 пикосекундным разрешением, то есть технически 100 GHz.

Answer 7

[misha8585]

Основные причины, по которым тактовая частота процессоров не достигает десятков ГГц:
* Тепловыделение: С ростом частоты экспоненциально растет выделение тепла (P \propto f, где P - мощность/тепло, f - частота). Отвод такого количества тепла от кристалла становится крайне сложной и дорогой задачей. Превышение предела приводит к перегреву и деградации чипа.
* Энергопотребление: Высокая частота требует больше энергии для переключения транзисторов, что неприемлемо для большинства устройств (особенно мобильных) и увеличивает эксплуатационные расходы (электричество, охлаждение).
* Физические ограничения скорости сигнала: Скорость распространения электрического сигнала в проводниках конечна (~0.5-0.7 скорости света). На сверхвысоких частотах время, необходимое сигналу для прохождения даже коротких расстояний внутри чипа, становится сравнимо с длительностью такта, что вызывает проблемы синхронизации и ограничивает размер и сложность чипа.
* Токи утечки: С уменьшением размеров транзисторов (техпроцесса) растут токи утечки, которые также вносят вклад в нагрев и энергопотребление, особенно на высоких частотах.
Вместо наращивания частоты производители сосредоточились на:
* Многоядерности: Увеличение числа ядер позволяет выполнять больше задач параллельно.
* Улучшении архитектуры: Повышение эффективности каждого такта (IPC - instructions per clock), оптимизация кэшей, предсказания ветвлений и т.д.

Answer 8

[Евгений Лернер]

Спасибо, узнал много нового. Практически меня интересует терему т скоростной процессор для ии. Там простые алгоритмы