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为什么 CPU 主频很难超过 4GHz?

Renault | 2017/8/15 17:12:08

和登那德定律有关系,貌似有公式能说明。


  • 马东豪  |   2017/8/17 10:26:45

    1. 题主的确切的问题应该是 “计算机CPU的主频为什么很难超过4G”。因为计算机的其他部件的工作频率是远低于CPU主频。在此不做讨论。 

    2. 如很多答主列出的,目前很多cpu主频已经超过4G, 问题不够准确。 

    3. 登那德定律以及摩尔定律只是对目前半导体技术的简单预测, 不存在严谨的科学依据,在实际的研发过程中没人会把这个没有经过论证的“定律”当回事。比如,你认为墨菲定律真的会影响事情的结果么? 

    4 目前排名第一的Sisyphus的答案存在一些错误, 此处斗胆指出。      

    - CPU运算单元和数据存取怎么会是分离的,L1/L2 cache 用来干什么的。      

    - 电信号速度, 这个说法不准确, 应该说是线延迟,也就是信号穿过传输线的延迟。我们选用目前使用最为简便的Elmore模型来看线延迟 

    再简化这个模型,就是我们说的Td=RC, 也就是说电信号穿过一段传输线只是和这段线的电阻和电容反向相关,和光速有什么关系。     

     - CPU主频的极限是导致我们将指令使用流水线结构的原因,切勿本末倒置。


  • 杨迪  |   2017/8/25 15:04:49

    题主眼光非常独到。为什么CPU没能变得更快?题主是在阐述一个计算机架构里的现象。主流中央处理器的确在05年之后就很少超过4GHz的频率。登纳德定律说单核上晶体管数量每两年能翻一倍,然而05年之后碰到了瓶颈,之后就很少提登纳德定律,只能依靠并行运算来为摩尔定律续命。我们可以看到上图的绿线指示的是主流中央处理器的频率,不但没能上升,近来还有下降的趋势。工程师们天生是要为整个系统做权衡的。而在登纳德定律和摩尔定律都生效的年代,电子工程师不需要权衡,只要做一件事:把晶体管做小。无需权衡,只要做小,那简直是电子工程师的黄金年代。然而五十年过去了,黄金时代已经过去,工程师们必须做权衡。

    需要权衡的瓶颈包括是内存读取瓶颈,指令行并行处理瓶颈,和散热瓶颈。而散热瓶颈被认为是最难以跨越的。

    先说内存读取。中央处理器和内存是分离的两个区域,之间依靠信道连接,而信道是有带宽的。处理器的晶体管数量每两年翻一倍,然而带宽的增长达不到它的速度,所以内存读写所占的时间逐渐超过处理器计算的时间,削弱了创新的动力。

    再说指令行并行处理。CPU主频每翻一倍,只要所有元件都能完成运算,整个系统的运行速度就能上升一倍。然而每个元件和电线都是有物理属性的;电信号传过元件后会有延迟,受元件电阻和电容影响;电信号在电线中也只能以介质中的光速传播,小于3亿米每秒,大约2亿米每秒。4GHz时是每秒40亿下时钟,电信号只能前进6厘米。工业界近20年来为了加快主频,在其他方式都到极限后采用了流水线式设计,把一条指令拆成多个时钟来完成,以此在一条指令完成时间不变的情况下,增加单位时间的吞吐量。上图是我学架构时设计的五级流水线式处理器构架,把一条机械语言拆成取指令,解码指令,处理,写回内存,和写回寄存器五级。而英特尔i7现在的技术把整个指令拆到了二十四级[2],如此细致的拆分令人发指,同时也很难再想象如何再改进。

    而温度是最可怕的权衡。超过4GHz后,温度上升造成的性能损失超过了指令行处理加速获得的性能提升。如果说前两个瓶颈还能依靠设计解决,那这个瓶颈就只能靠新材料或是工艺来解决了。而现代计算机所依赖的物理元件,MOSFET,全称金属氧化物半导体场效应管,从登纳德定律出现到05年四十年时间内都没有更好的替代产品。最新出了一批新的场效应管,然而没能在根本上解决散热的问题。