Das Rennen um 1 GHz war nur der Anfang eines Gigahertz-Krieges zwischen Intel und AMD, und schon bald hatten sich die Prozessoren in ihrer Frequenz verdoppelt, verdreifacht und sogar vervierfacht. Es sah so aus, als ob wir schon längst 10-GHz-Prozessoren verwenden sollten, warum also nicht?
Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, ist Wärme ein Problem. Höhere Frequenzen erzeugen mehr Wärme, weshalb man professionelle Übertakter mit flüssigem Stickstoff arbeiten sieht, wenn sie versuchen, die Taktfrequenzen in neue Höhen zu treiben. Natürlich ist die Verwendung von LN2 nicht praktikabel.
In einem Blogbeitrag in Intels Developer Zone geht Victoria Zhislina auf die technische Natur des CPU-Designs ein und erklärt, warum die Frequenzen nicht mehr wie früher immer höher getrieben werden.
„Die Hauptbeschränkung liegt in der Förderebene, die ein wesentlicher Bestandteil der superskalaren Struktur ist. Funktionell ist jede Befehlsausführung eines Prozessors in mehrere Schritte unterteilt… Diese Schritte folgen sequentiell aufeinander, und jeder wird auf einer separaten Recheneinheit ausgeführt“, erklärt Zhislina.
Das obige Diagramm skizziert eine vereinfachte Reihe von Schritten, die durch Ticks unterbrochen werden. Zu Beginn der zweiten Tickperiode (t2) ist der erste Schritt abgeschlossen und der zweite Schritt kann auf dem zweiten Gerät beginnen.
„Was hat das mit der Frequenz zu tun? In der Tat können verschiedene Stufen in der Ausführungszeit variieren. Gleichzeitig werden verschiedene Schritte desselben Befehls während verschiedener Taktticks ausgeführt. Die Ticklänge (und auch die Frequenz) des Prozessors sollte zum längsten Schritt passen“, sagt Zhislina.
Hier ist ein weiteres Diagramm, das dies zeigt:
Bei diesem Aufbau gibt es keinen Vorteil, die Taktlänge kürzer als den längsten Schritt einzustellen – es ist zwar technisch möglich, führt aber nicht zu einer Beschleunigung des Prozessors.
„Nehmen wir an, dass der längste Schritt 500 ps (Pikosekunde) für die Ausführung benötigt. Das ist die Taktlänge, wenn die Computerfrequenz 2 GHz beträgt. Dann stellen wir einen Taktschlag ein, der zwei Mal kürzer ist, also 250 ps, und alles außer der Frequenz bleibt gleich. Jetzt wird das, was als längster Schritt identifiziert wurde, während zweier Taktticks ausgeführt, die zusammen ebenfalls 500 ps dauern. Mit dieser Änderung ist nichts gewonnen, während die Entwicklung einer solchen Änderung viel komplizierter wird und die Wärmeabgabe zunimmt“, erklärt Zhislina.
Eine schnellere Frequenz beschleunigt die erste Ausführung. Dies führt jedoch im weiteren Verlauf zu Verzögerungen, so dass nichts wirklich gewonnen ist. Laut Zhislina besteht die einzige Möglichkeit, die Frequenz zu erhöhen, darin, den längsten Schritt zu verkürzen.
Leider gibt es im Moment nicht viele Möglichkeiten, dies zu tun. Eine Möglichkeit ist, einen fortschrittlicheren technologischen Prozess zu entwickeln, der die physische Größe der Komponenten reduziert. Das macht den Prozessor schneller, weil die elektrischen Impulse kürzere Wege zurücklegen und weil die Schaltzeiten der Transistoren verkürzt werden.
„Einfach gesagt, alles wird gleichmäßig schneller. Alle Schritte werden gleichmäßig verkürzt, auch der längste, und die Frequenz kann dadurch erhöht werden. Das hört sich ganz einfach an, aber der Weg in den Nanometerbereich ist sehr kompliziert. Die Erhöhung der Frequenz hängt stark vom aktuellen Stand der Technik ab, und Fortschritte können nicht über diese physikalischen Grenzen hinausgehen“, sagt Zhislina.
Allerdings gibt es ständige Bemühungen, genau dies zu erreichen, und als Ergebnis sehen wir eine allmähliche Erhöhung der CPU-Kernfrequenzen.
Es gibt noch viel mehr zu verdauen. Wenn Sie etwas Zeit haben, sollten Sie den Blog besuchen und ihn lesen.