Có một thời điểm tốc độ clock CPU tăng vọt năm sau năm. Trong thập niên 90 và đầu 2000, bộ xử lý tăng tốc độ đáng kinh ngạc, nhảy từ chip Pentium 60 MHz đến bộ xử lý gigahertz trong một thập kỷ.
Bây giờ, dường như ngay cả bộ xử lý cao cấp cũng ngừng tăng tốc độ clock. Overclocker chuyên nghiệp có thể ép silicon tốt nhất lên khoảng 9 GHz với hệ thống làm mát nitơ lỏng, nhưng đối với hầu hết người dùng, 5 GHz là giới hạn chưa được vượt qua.
Intel từng dự định đạt bộ xử lý 10-GHz, nhưng điều đó vẫn xa xôi ngày nay như mười năm trước. Tại sao tốc độ clock bộ xử lý ngừng tăng? Tốc độ clock bộ xử lý có bắt đầu tăng lại, hay thời đó đã qua?
Tại Sao Tốc Độ Clock CPU Không Tăng: Nhiệt Và Nguồn
Như chúng ta biết từ định luật Moore, kích thước transistor thu nhỏ thường xuyên. Điều này nghĩa là nhiều transistor hơn có thể nhét vào bộ xử lý. Thông thường này nghĩa là công suất xử lý lớn hơn. Cũng có yếu tố khác tên Dennard scaling. Nguyên tắc này nói rằng năng lượng cần chạy transistor trong thể tích đơn vị cụ thể giữ không đổi ngay cả khi số transistor tăng.
Tuy nhiên, chúng ta bắt đầu gặp giới hạn Dennard scaling, và một số người lo ngại định luật Moore đang chậm lại. Transistor đã nhỏ đến mức Dennard scaling không còn đúng. Transistor thu nhỏ, nhưng năng lượng chạy chúng tăng.
Mất nhiệt cũng là yếu tố lớn trong thiết kế chip. Nhét hàng tỷ transistor trên chip và bật tắt chúng hàng nghìn lần mỗi giây tạo ra nhiệt lượng khổng lồ. Nhiệt đó chết chóc cho silicon độ chính xác và tốc độ cao. Nhiệt phải đi đâu đó, và giải pháp làm mát đúng và thiết kế chip cần thiết để duy trì clock speed hợp lý. Càng thêm transistor, hệ thống làm mát càng phải mạnh để dung nạp nhiệt tăng.
Tăng clock speed cũng ngụ ý tăng điện áp, dẫn đến tăng lập phương tiêu thụ năng lượng chip. Vì vậy khi clock speed lên, nhiệt tăng, cần giải pháp làm mát mạnh hơn. Chạy transistor và tăng clock speed cần điện áp hơn, dẫn đến tiêu thụ năng lượng tăng vọt. Vì vậy khi cố tăng clock speed, chúng ta thấy nhiệt và tiêu thụ năng lượng tăng vọt. Cuối cùng, yêu cầu năng lượng và sản xuất nhiệt vượt quá tăng clock speed.
Tại Sao Tốc Độ Clock CPU Không Tăng: Rắc Rối Transistor
Thiết kế và thành phần transistor cũng ngăn cản tăng clock speed dễ dàng như trước. Mặc dù transistor tin cậy thu nhỏ (chứng minh quy trình thu nhỏ theo thời gian), chúng không vận hành nhanh hơn. Thông thường, transistor nhanh hơn vì cổng (phần di chuyển phản ứng dòng điện) mỏng hơn. Nhưng kể từ quy trình 45nm của Intel, cổng transistor khoảng 0.9nm dày, hoặc độ rộng nguyên tử silicon đơn lẻ. Mặc dù vật liệu transistor khác cho phép cổng vận hành nhanh hơn, những tăng tốc dễ dàng như trước có lẽ đã qua.
Tốc độ transistor cũng không còn yếu tố duy nhất trong clock speed. Ngày nay, dây nối transistor cũng là phần lớn phương trình. Khi transistor thu nhỏ, dây nối cũng thu nhỏ. Dây càng nhỏ, impedance càng lớn và dòng điện càng thấp. Định tuyến thông minh có thể giảm thời gian di chuyển và sản xuất nhiệt, nhưng tăng tốc vọt có thể yêu cầu thay đổi định luật vật lý.
Kết Luận: Chúng Ta Không Làm Tốt Hơn Được Sao?
Điều đó chỉ giải thích tại sao thiết kế chip nhanh hơn khó khăn. Nhưng những vấn đề thiết kế chip này đã được chinh phục trước đây, phải không? Tại sao không thể vượt qua lại với nghiên cứu và phát triển đầy đủ?
Nhờ giới hạn vật lý và thiết kế vật liệu transistor hiện tại, tăng clock speed không còn cách tốt nhất tăng công suất tính toán. Hôm nay, cải tiến lớn về công suất đến từ thiết kế bộ xử lý đa lõi. Kết quả, chúng ta thấy chip như AMD gần đây, với số lõi tăng vọt. Thiết kế phần mềm chưa kịp xu hướng này, nhưng dường như đây là hướng chính của thiết kế chip ngày nay.
Clock speed nhanh hơn không nhất thiết nghĩa là máy tính nhanh và tốt hơn. Khả năng máy tính vẫn có thể tăng ngay cả khi clock speed bộ xử lý đạt đỉnh. Xu hướng xử lý đa lõi sẽ cung cấp công suất xử lý lớn hơn ở cùng tốc độ tiêu đề, đặc biệt khi song song hóa phần mềm cải thiện.