Как далеко физически движутся электроны за один такт в (теоретическом) процессоре с частотой 4 ГГц?

3176
atroon

Прошлой ночью я размышлял о компьютерах и процессорах и об этом видео о 6-битном цифровом сложении, и я знаю, что 4 ГГц, похоже, является практическим пределом массовых процессоров текущей эпохи. Почему это так? Я пытался представить что-то вроде этого 6-битного сложения * 11 (хорошо, 10,6666 ...), выстроенного в ряд и работающего 4 миллиарда раз в секунду. Это сногсшибательно для меня. XKCD имеет другой взгляд на это.

Итак, для всех вас, имеющих гораздо больший опыт работы в области физики, чем я, я думаю, что есть несколько вопросов в одном: почему 4GHz кажется практическим ограничением для процессоров? Неужели кремний не может переключаться быстрее этого (и поможет ли другой элемент)? Как далеко электроны идут за 1/4 000 000 000 секунд и как долго проходят электрические пути, скажем, на процессоре Core 2 Duo и материнской плате? Является ли 4 ГГц пределом, потому что электроны не могут получать от процессора, скажем, достаточно быстро и из памяти, путешествуя со скоростью света?

7

2 ответа на вопрос

6
Andrew McGregor

Важна не скорость электронов, это действительно медленно, а групповая скорость распространения электрических полей, которые их толкают, что составляет около 1/3 скорости света. Учитывая, что 2,4 ГГц имеет длину волны примерно 12 см, проблема с чипами 4 ГГц заключается в том, что размер кристалла кристалла довольно велик по сравнению с длиной волны тактового генератора, и поэтому он начинает становиться слишком сложным, чтобы иметь дело с перекос часов.

Кроме того, энергопотребление процессора увеличивается очень быстро, так как тактовая частота увеличивается, и в какой-то момент устройство перегревается.

И групповая скорость зависит от изолятора вокруг провода, а не от какого-либо свойства самого провода, поскольку именно там находится поле. Martin 14 лет назад 0
Интересно. Вы имели в виду, что чип довольно маленький по сравнению с длиной волны часов, или я не так понимаю? Кроме того, могут ли [асинхронные процессоры] (http://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_circuit#Asynchronous_CPU) вообще помочь с этой проблемой? zildjohn01 14 лет назад 0
6
Martin

Каждый электрон практически не движется за 0,25 нс, даже с десятками ампер, протекающими в таких процессорах.

«Например, в медной проволоке сечением 0,5 мм2, несущей ток 5 А, скорость дрейфа электронов составляет порядка миллиметра в секунду». Википедия

К счастью, нам не нужно, чтобы электроны двигались очень далеко, чтобы нести волну, которая очень быстро перемещается на большие расстояния.

Интересно. Глядя на статью, на которую вы ссылались, они проводят аналогию того, что мы считаем «электричеством», похожим на звук через газ ... волну, которая передает энергию, а не фактический взрыв воздуха. Я всегда представлял электрические импульсы, когда эти огромные потоки электронов каскадно движутся со скоростью, близкой к скорости света, но это немного более абстрактно, чем это. Спасибо за разъяснение этого для меня. atroon 14 лет назад 1

Похожие вопросы