Det var en gång när CPU-klockhastigheten ökade dramatiskt från år till år. Under 90-talet och början av 2000-talet ökade processorerna i otroliga hastigheter, skott från 60 MHz Pentium-chips till processorer på Gigahertz-nivå inom ett decennium.

Nu verkar det som att även avancerade processorer har slutat öka sina klockhastigheter. Dedikerade överklockare kan tvinga det bästa kislet till cirka 9 GHz med flytande kvävekylsystem, men för de flesta användare är 5 GHz en gräns som ännu inte har passerat.

Intel planerade en gång att nå en 10-GHz-processor, men det är fortfarande utom räckhåll idag som det var för tio år sedan. Varför slutade processorns klockhastighet öka? Kommer processorns klockhastighet att börja öka igen, eller har den tiden gått?

Varför CPU-klockhastighet ökar inte: Värme och ström

Som vi vet från Moores lag sänks transistorstorleken regelbundet. Det betyder att fler transistorer kan packas i en processor. Vanligtvis betyder det större bearbetningskraft. Det finns också en annan faktor att spela, kallad Dennard-skalning. Denna princip anger att den ström som behövs för att köra transistorer i en viss enhetens volym förblir konstant även när antalet transistorer ökar.

Vi har dock börjat möta gränserna för Dennard-skalning, och vissa är oroliga för att Moores lag saktar ner. Transistorer har blivit så små att Dennard skalning inte längre håller. Transistorer krymper, men kraften som krävs för att köra dem ökar.

Värmeförluster är också en viktig faktor i chipdesign. Cramming miljarder transistorer på ett chip och slå dem på och av tusentals gånger per sekund skapar ett ton av värme. Den värmen är dödlig för hög precision och höghastighets kisel. Den värmen måste gå någonstans, och det krävs korrekta kyllösningar och chipdesign för att upprätthålla rimliga klockhastigheter. Ju fler transistorer tillsätts, ju mer robust måste kylsystemet vara för att rymma den ökade värmen.

Ökad klockhastighet innebär också en spänningsökning, vilket leder till en kubisk ökning av strömförbrukningen för chipet. Såsom klockhastigheten går upp genereras mer värme, vilket kräver mer kraftfulla kyllösningar. Att köra dessa transistorer och öka klockhastigheten kräver mer spänning, vilket leder till dramatiskt större strömförbrukning. Så vi försöker öka klockhastigheten, och vi ser att värme- och strömförbrukningen ökar dramatiskt. I slutändan ökar effektbehovet och värmeproduktionsutrymmet för klockhastigheten.

Varför CPU-klockhastighet ökar inte: Transistorproblem

Transistors design och komposition förhindrar också de enkla klockhastigheterna vi en gång såg. Medan transistorer på ett tillförlitligt sätt blir mindre (vittnar krympande processstorlekar över tiden), fungerar de inte snabbare. Typiskt har transistorer blivit snabbare eftersom deras portar (den del som rör sig som svar på strömmen) har tunnat ut. Ännu sedan Intels 45nm-process är transistorporten ungefär 0, 9 nm tjock eller om bredden av en enda kiselatom. Medan olika transistormaterial kan möjliggöra snabbare gateoperationer, ökar den snabba hastigheten vi en gång haft förmodligen borta.

Transistorhastigheten är inte längre den enda faktorn i klockhastighet. Idag är trådarna som förbinder transistorerna också en stor del av ekvationen. När transistorer krymper, så gör trådarna att ansluta dem. Ju mindre trådarna är desto större är impedansen och sänker strömmen. Smart routing kan bidra till att reducera körtid och värmeproduktion, men en dramatisk hastighetsökning kan kräva en förändring av fysikens lagar.

Slutsats: Kan vi inte göra bättre?

Det förklarar bara varför att utforma snabbare chips är svårt. Men dessa problem med chipdesign erövrades tidigare, eller hur? Varför kan de inte övervinnas igen med tillräcklig forskning och utveckling?

Tack vare begränsningarna i fysiken och de aktuella transistormaterialdesignerna är förhöjt klockhastighet för närvarande inte det bästa sättet att öka beräkningskraften. Idag kommer större kraftförbättringar från processorer med flera kärnor. Som ett resultat ser vi chips som AMDs senaste erbjudanden, med ett dramatiskt ökat antal kärnor. Programvaruutveckling har ännu inte blivit upptagen för denna trend, men det verkar vara den primära riktningen för chipdesign idag.

Snabbare klockhastigheter betyder inte nödvändigtvis snabbare och bättre datorer. Datorfunktionen kan fortfarande öka även om processorns klockhastighetsplattor. Trender i process med flera kärnor kommer att ge större bearbetningskraft vid samma rubrikhastigheter, i synnerhet som parallellisering av mjukvaran förbättras.

Bildkredit: ourworldindata.org