En primer lugar, antes de explicar el límite superior de la frecuencia de la CPU, primero debemos introducir un concepto: Retraso de propagación (Retraso de propagación), vea la siguiente imagen:
Esta imagen es una puerta sumadora binaria simple En el circuito, A/B/C son las tres entradas y salidas del sumador (dos sumandos y un número de acarreo del bit bajo. El resultado de salida tiene dos bits, S es el resultado y C es el). llevar. Se puede ver en el camino de la figura que para obtener S y C, el número de circuitos de puerta y la longitud de las líneas pasadas por diferentes señales son diferentes, por lo que el tiempo para que la señal llegue al final del resultado puede ser diferente.
Si la frecuencia de la señal es particularmente alta, puede causar que la siguiente señal llegue antes de que la señal anterior haya pasado completamente a través de la línea, lo que causará confusión en los resultados.
Entonces, la frecuencia límite de la señal es: asegurar que solo una señal de pulso pase por el circuito en cualquier momento.
Esta regla también se aplica al diseño de CPU.
Entonces, ¿a qué velocidad viajan las señales eléctricas? Aunque son los electrones los que conducen la electricidad, lo que funciona en la CPU es en realidad un campo eléctrico, y la velocidad del campo eléctrico es igual a la velocidad de la luz. Entonces, la frecuencia límite es igual a: 1 segundo/el tiempo que tarda el campo eléctrico en pasar a través del chip. Para convertir, divida la velocidad de la luz por el tamaño del chip.
Entonces, el consumo de energía solo resuelve la limitación de la generación de calor, pero no puede traspasar el límite de la ley física de la velocidad de la luz.
Tomemos el Intel i7 4790K como ejemplo. El tamaño del núcleo del chip es de 177 milímetros cuadrados. Cuando se convierte, se trata de una forma cuadrada de unos 13 milímetros, por lo que el campo eléctrico más rápido necesario para pasar a través de él. El chip es 4.333*10^ -11 segundos, convertido a una frecuencia principal de 23 GHz, que es la frecuencia límite teórica de este chip.
¿Por qué los fabricantes de chips se esfuerzan tanto por reducir el tamaño? El consumo de energía es un aspecto. Lo importante es aumentar la frecuencia límite. La frecuencia límite está estrechamente relacionada con el tamaño del chip.
Entonces, ¿puede la frecuencia máxima del chip alcanzar 1THz? Al menos no es posible con la tecnología actual. El cuello de botella no es el consumo de energía, sino el tamaño del chip. Bajo la limitación de la velocidad del campo eléctrico (velocidad de la luz), si el chip alcanza 1THz, se requiere que el tamaño del chip sea inferior a 0,3 mm. Con un chip tan pequeño, la tecnología actual no puede integrar completamente todas las funciones de una CPU.
De hecho, las cosas de 1THz no son nuevas. Los transistores/diodos/circuitos de interruptor de nivel de THz han estado disponibles desde hace mucho tiempo. Entonces, si algunos circuitos funcionales simples (como el sumador anterior) están diseñados con transistores de THz, allí. No hay absolutamente ningún problema por encima de 100 GHz, e incluso THz no es un problema. Pero cuando se coloca en todo el chip, debido al retraso, la frecuencia principal aún debe reducirse al rango de GHz. Por lo tanto, en teoría, la frecuencia principal de un chip de tamaño milimétrico no excederá los 100 GHz.
Finalmente, aunque la potencia informática de una supercomputadora está relacionada con la potencia informática de un solo nodo informático, definitivamente no es igual a la potencia informática de un solo nodo. La dirección de desarrollo actual de la supercomputación es la computación heterogénea. En las supercomputadoras, la CPU no soporta tareas informáticas particularmente grandes. La mayoría de las tareas informáticas se completan mediante módulos informáticos como las GPU.