CPUクロック速度が上がらない理由

かつて、CPUクロック速度が年々劇的に上昇した時期がありました。 90年代から2000年代初頭にかけて、プロセッサは信じられないほどの速度で増加し、10年以内に60MHzのPentiumチップからギガヘルツレベルのプロセッサに移行しました。

現在、ハイエンドプロセッサでさえクロック速度の増加を止めているようです。専用のオーバークロッカーは、液体窒素冷却システムを使用して最高のシリコンを約9 GHzに強制できますが、ほとんどのユーザーにとって、5GHzはまだ通過していない制限です。

Intelはかつて10GHzプロセッサに到達することを計画していましたが、それは10年前と同じように今日でも到達不能のままです。プロセッサのクロック速度の増加が止まったのはなぜですか？プロセッサのクロック速度は再び上昇し始めますか、それともその時間が経過しましたか？

CPUクロック速度が向上しない理由：熱と電力

ムーアの法則からわかるように、トランジスタのサイズは定期的に縮小しています。これは、より多くのトランジスタをプロセッサにパックできることを意味します。通常、これは処理能力が高いことを意味します。デナード則と呼ばれる別の要因も関係しています。この原理は、特定の単位体積でトランジスタを実行するために必要な電力は、トランジスタの数が増えても一定に保たれることを示しています。

しかし、デナード則の限界に直面し始めており、ムーアの法則が遅くなっているのではないかと心配する人もいます。トランジスタが非常に小さくなったため、デナード則は成り立たなくなりました。トランジスタは縮小しますが、トランジスタを実行するために必要な電力は増加します。

熱損失もチップ設計の主要な要因です。チップ上に数十億個のトランジスタを詰め込み、1秒間に数千回オンとオフを切り替えると、大量の熱が発生します。その熱は、高精度で高速なシリコンにとって致命的です。その熱はどこかに行く必要があり、適切なクロック速度を維持するには、適切な冷却ソリューションとチップ設計が必要です。より多くのトランジスタを追加するほど、増加した熱に対応するために冷却システムをより堅牢にする必要があります。

クロック速度の増加は、電圧の増加も意味し、チップの消費電力が3倍に増加します。したがって、クロック速度が上がると、より多くの熱が発生し、より強力な冷却ソリューションが必要になります。これらのトランジスタを実行し、クロック速度を上げると、より多くの電圧が必要になり、消費電力が大幅に増加します。したがって、クロック速度を上げようとすると、熱と電力の消費量が劇的に増加することがわかります。結局、電力要件と熱生成はクロック速度を上回ります。

CPUクロック速度が向上しない理由：トランジスタの問題

トランジスタの設計と構成も、かつて見たような簡単なヘッドラインクロック速度を妨げています。トランジスタは確実に小さくなっていますが（時間の経過とともにプロセスサイズが縮小するのを目撃してください）、トランジスタはより高速に動作していません。通常、トランジスタはゲート（電流に応じて移動する部分）が薄くなっているため、高速になっています。しかし、Intelの45nmプロセス以降、トランジスタゲートの厚さは約0.9nm、つまり単一のシリコン原子の幅とほぼ同じです。トランジスタの材質が異なるとゲート動作が速くなりますが、かつての簡単な速度の向上はおそらくなくなっています。

トランジスタ速度もクロック速度の唯一の要因ではなくなりました。今日、トランジスタを接続するワイヤも方程式の大きな部分を占めています。トランジスタが収縮すると、それらを接続するワイヤも収縮します。ワイヤが細いほど、インピーダンスが大きくなり、電流が小さくなります。スマートルーティングは、移動時間と熱の発生を減らすのに役立ちますが、速度を大幅に上げるには、物理​​法則を変更する必要がある場合があります。

結論：私たちはもっとうまくやれないのですか？

これは、より高速なチップの設計が難しい理由を説明しています。しかし、チップ設計に関するこれらの問題は以前に克服されましたね？十分な研究開発で再び克服できないのはなぜですか？

物理学と現在のトランジスタ材料設計の制限のおかげで、クロック速度を上げることは現在、計算能力を上げるための最良の方法ではありません。今日、パワーの大幅な向上は、マルチコアプロセッサの設計によってもたらされています。その結果、コアの数が劇的に増加した、AMDの最近の製品のようなチップが見られます。ソフトウェア設計はまだこの傾向に追いついていないが、それが今日のチップ設計の主要な方向性であるように思われる。

クロック速度が速いからといって、必ずしもコンピュータが速くて優れているとは限りません。プロセッサのクロック速度が頭打ちになったとしても、コンピュータの機能は向上する可能性があります。マルチコア処理のトレンドは、特にソフトウェアの並列化が改善されるにつれて、同じ見出しの速度でより大きな処理能力を提供します。