De race naar 1GHz was slechts het begin van een gigahertz-oorlog tussen Intel en AMD, en al snel waren processoren verdubbeld, verdrievoudigd en zelfs verviervoudigd in frequentie. Het leek erop dat we voorbestemd waren om 10 GHz-processoren te gebruiken, dus waarom doen we dat niet?
Zoals u zich wellicht kunt voorstellen, is warmte een probleem. Snellere frequenties genereren meer warmte, en daarom zie je professionele overklokkers vloeibare stikstof gebruiken wanneer ze proberen kloksnelheden tot nieuwe hoogten op te drijven. Natuurlijk is het gebruik van LN2 niet praktisch.
In een blogpost op Intel’s Developer Zone gaat Intel’s Victoria Zhislina in op de technische aard van CPU-ontwerp en waarom frequenties niet langer steeds hoger worden opgedreven zoals dat ooit het geval was.
“De belangrijkste beperking is te vinden in het transportbandniveau, dat integraal is voor superscalaire structuur. Functioneel gezien is elke uitvoering van een instructie van een processor verdeeld in verschillende stappen… Deze stappen volgen elkaar op, en elke stap wordt uitgevoerd op een afzonderlijk computerapparaat,” legt Zhislina uit.
Het bovenstaande schema geeft een vereenvoudigde reeks stappen weer, onderverdeeld door kloktikken. Bij het begin van de tweede tikperiode (t2) is de eerste stap voltooid en kan de tweede stap op het tweede apparaat beginnen.
“Wat heeft dit met frequentie te maken? In feite kunnen verschillende stappen verschillen in uitvoeringstijd. Tegelijkertijd worden verschillende stappen van dezelfde instructie tijdens verschillende kloktikken uitgevoerd. De kloktiklengte (en ook de frequentie) van de processor moet passen bij de langste stap,” zegt Zhislina.
Hier is nog een diagram dat dit laat zien:
Met deze opstelling is er geen voordeel om de kloktiklengte korter in te stellen dan de langste stap-het is technisch mogelijk om dit te doen, maar het zal niet resulteren in enige processorversnelling.
“Stel dat de langste stap 500 ps (picoseconde) nodig heeft voor uitvoering. Dit is de kloktiklengte als de computerfrequentie 2 GHz is. Dan zetten we een kloktik twee keer korter, dat zou 250 ps zijn, en alles behalve de frequentie blijft hetzelfde. Nu wordt wat was geïdentificeerd als de langste stap uitgevoerd gedurende twee kloktikken, die samen ook 500 ps in beslag nemen. Er is niets gewonnen met deze verandering, terwijl het ontwerpen ervan veel gecompliceerder wordt en de warmte-uitstoot toeneemt,” legt Zhislina uit.
Een snellere frequentie versnelt de initiële uitvoering. Dit leidt verderop in de keten echter tot vertragingen, zodat er eigenlijk niets gewonnen wordt. Volgens Zhislina is de enige manier om de frequentie te verhogen het inkorten van de langste stap.
Helaas zijn er op dit moment niet veel manieren om dat te doen. Een manier is om een meer geavanceerd technologisch proces te ontwikkelen dat de fysieke grootte van de componenten verkleint. Dat maakt de processor sneller, omdat de elektrische impulsen kortere afstanden afleggen, en ook omdat de schakeltijden van de transistors korter zouden worden.
“Simpel gezegd, alles gaat gelijkmatig sneller. Alle stappen worden gelijkmatig verkort, ook de langste, en de frequentie kan daardoor worden verhoogd. Het klinkt heel eenvoudig, maar de weg naar beneden op de nanometerschaal is heel ingewikkeld. De frequentieverhoging is sterk afhankelijk van het huidige technologieniveau en de vooruitgang kan niet verder gaan dan deze fysische beperkingen,” zegt Zhislina.
Toch wordt er voortdurend naar gestreefd om precies dit te bereiken, en als gevolg daarvan zien we een geleidelijke verhoging van de CPU-kernfrequenties.
Er is nog veel meer te verteren. Als je wat vrije tijd hebt, ga dan naar de blog en lees het eens door.