Đã từng có thời điểm tốc độ xung nhịp của CPU tăng đột biến từ năm này qua năm khác. Trong những năm 90 và đầu những năm 2000, bộ vi xử lý đã tăng lên với tốc độ đáng kinh ngạc, từ chip Pentium 60 MHz lên bộ xử lý cấp gigahertz trong vòng một thập kỷ.
Bây giờ, có vẻ như ngay cả những bộ vi xử lý cao cấp cũng đã ngừng tăng tốc độ xung nhịp của chúng. Những người ép xung chuyên dụng 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 đã từng có kế hoạch đạt được bộ vi xử lý 10 GHz, nhưng điều đó vẫn nằm ngoài khả năng của ngày hôm nay như cách đây mười năm. Tại sao tốc độ xung nhịp của bộ xử lý ngừng tăng? Tốc độ đồng hồ của bộ xử lý sẽ bắt đầu tăng trở lại hay thời gian đó đã trôi qua?
Tại sao tốc độ xung nhịp CPU không tăng:Nhiệt và nguồn
Như chúng ta đã biết từ định luật Moore, kích thước bóng bán dẫn đang thu nhỏ một cách thường xuyên. Điều này có nghĩa là nhiều bóng bán dẫn hơn có thể được đóng gói trong một bộ xử lý. Thông thường, điều này có nghĩa là sức mạnh xử lý lớn hơn. Ngoài ra còn có một yếu tố khác được gọi là quy mô Dennard. Nguyên tắc này nói rằng công suất cần thiết để chạy các bóng bán dẫn trong một khối lượng đơn vị cụ thể sẽ không đổi ngay cả khi số lượng bóng bán dẫn tăng lên.
Tuy nhiên, chúng tôi đã bắt đầu gặp phải giới hạn của việc mở rộng quy mô Dennard và một số người lo lắng rằng định luật Moore đang chậm lại. Các bóng bán dẫn đã trở nên quá nhỏ nên quy mô Dennard không còn được duy trì. Các bóng bán dẫn co lại, nhưng công suất cần thiết để chạy chúng tăng lên.
Tổn thất nhiệt cũng là một yếu tố chính trong thiết kế chip. Việc nhồi nhét hàng tỷ bóng bán dẫn trên một con chip và bật và tắt chúng hàng nghìn lần mỗi giây sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt. Nhiệt lượng đó gây tử vong cho silicon có độ chính xác cao và tốc độ cao. Nhiệt đó phải đi đâu đó, và cần có các giải pháp làm mát và thiết kế chip thích hợp để duy trì tốc độ xung nhịp hợp lý. Càng nhiều bóng bán dẫn được thêm vào, hệ thống làm mát càng phải mạnh mẽ hơn để thích ứng với nhiệt độ tăng lên.
Tốc độ xung nhịp tăng cũng đồng nghĩa với việc tăng điện áp, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng cho chip tăng lên. Vì vậy, khi tốc độ xung nhịp tăng lên, nhiệt lượng được tạo ra nhiều hơn, đòi hỏi các giải pháp làm mát mạnh mẽ hơn. Việc chạy các bóng bán dẫn đó và tăng tốc độ xung nhịp đòi hỏi nhiều điện áp hơn, dẫn đến tiêu thụ điện năng lớn hơn đáng kể. Vì vậy, khi chúng tôi cố gắng tăng tốc độ xung nhịp, chúng tôi thấy rằng nhiệt và điện năng tiêu thụ tăng lên đáng kể. Cuối cùng, yêu cầu điện năng và tốc độ đồng hồ sản sinh nhiệt tăng lên.
Tại sao Tốc độ xung nhịp CPU không tăng:Sự cố bóng bán dẫn
Thiết kế và thành phần bóng bán dẫn cũng ngăn cản tốc độ đồng hồ tiêu đề dễ dàng mà chúng ta từng thấy. Mặc dù các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn một cách đáng tin cậy (chứng kiến kích thước quá trình thu nhỏ theo thời gian), nhưng chúng không hoạt động nhanh hơn. Thông thường, các bóng bán dẫn trở nên nhanh hơn vì các cổng của chúng (phần chuyển động để phản ứng với dòng điện) đã mỏng đi. Tuy nhiên, kể từ quy trình 45nm của Intel, cổng bóng bán dẫn có độ dày xấp xỉ 0,9nm, hoặc bằng chiều rộng của một nguyên tử silicon. Mặc dù các vật liệu bóng bán dẫn khác nhau có thể cho phép cổng hoạt động nhanh hơn, nhưng việc tăng tốc độ dễ dàng mà chúng ta từng có có lẽ đã không còn nữa.
Tốc độ bóng bán dẫn cũng không phải là yếu tố duy nhất trong tốc độ đồng hồ nữa. Ngày nay, dây nối các bóng bán dẫn cũng là một phần quan trọng của phương trình. Khi các bóng bán dẫn co lại, các dây nối chúng cũng vậy. Các dây càng nhỏ, trở kháng càng lớn và giảm dòng điện. Định tuyến thông minh có thể giúp giảm thời gian di chuyển và sản sinh nhiệt, nhưng tốc độ tăng đáng kể có thể yêu cầu thay đổi các định luật vật lý.
Kết luận:Chúng ta có thể làm tốt hơn không?
Điều đó giải thích tại sao việc thiết kế chip nhanh hơn lại khó khăn. Nhưng những vấn đề này với thiết kế chip đã được khắc phục trước đó, phải không? Tại sao chúng không thể được khắc phục một lần nữa với sự nghiên cứu và phát triển đầy đủ?
Do những hạn chế của vật lý và thiết kế vật liệu bóng bán dẫn hiện tại, việc tăng tốc độ xung nhịp hiện không phải là cách tốt nhất để tăng sức mạnh tính toán. Ngày nay, những cải tiến lớn hơn về sức mạnh đến từ các thiết kế vi xử lý đa lõi. Do đó, chúng ta thấy những con chip giống như các sản phẩm gần đây của AMD, với số lượng lõi tăng lên đáng kể. Thiết kế phần mềm vẫn chưa bắt kịp xu hướng này, nhưng nó dường như là hướng chính của thiết kế chip ngày nay.
Tốc độ đồng hồ nhanh hơn không nhất thiết có nghĩa là máy tính nhanh hơn và tốt hơn. Khả năng của máy tính vẫn có thể tăng lên ngay cả khi tốc độ xung nhịp của bộ xử lý tăng cao. Xu hướng xử lý đa lõi sẽ cung cấp sức mạnh xử lý lớn hơn ở cùng tốc độ tiêu đề, đặc biệt là khi cải thiện tính song song của phần mềm.