CPU速度を制限するものは何ですか？

最近、友人とLaTeXのコンパイルについて話しました。LaTeXは1つのコアのみを使用してコンパイルできます。そのため、LaTeXコンパイルの速度については、CPUのクロック速度が最も重要です（最高のLaTeXコンパイルパフォーマンスのためのハードウェア選択のヒントを参照）

好奇心から、最高のクロック速度を持つCPUを探しました。最高のクロック速度を持っていたのは、4.4 GHz（source）のIntel Xeon X5698だったと思います。

しかし、この質問は販売されるCPUに関するものではありません。あなたが価格を気にしない場合、どれくらい速く得ることができるか知りたいです。

1つの質問は次のとおりです。CPU速度に物理的な制限はありますか？どのくらいの高さですか？

もう1つの質問は、これまでに到達した最高のCPU速度とは何ですか？

冷却（熱）が非常に困難になるため、CPU速度が制限されていると常に考えてきました。しかし、私の友人は、これが理由だと疑っています（たとえば、科学実験などで従来の/安価な冷却システムを使用する必要がない場合）。

[2]では、伝送遅延がCPU速度の別の制限を引き起こすことを読みました。しかし、彼らはそれがどれくらい速く得ることができるかについて言及しません。

私が見つけたもの

• [1] 科学者はプロセッサー速度の基本的な最大制限を見つけます：量子コンピューターについてのみであるようですが、この質問は「従来の」CPUについてです。
• [2] CPU速度に制限があるのはなぜですか？

私について

私はコンピューターサイエンスの学生です。CPUについては知っていますが、あまり知りません。そして、この質問にとって重要かもしれない物理学についてはさらに少ない。可能な場合は、そのことを覚えておいてください。

実際には、CPU速度を制限するのは、発生する熱とゲート遅延の両方ですが、通常、熱は後者が作動する前にはるかに大きな問題になります。

最近のプロセッサーは、CMOSテクノロジーを使用して製造されています。クロックサイクルがあるたびに、電力が消費されます。したがって、プロセッサ速度が速いほど、より多くの熱放散を意味します。

http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

以下にいくつかの図を示します。

Core i7-860   (45 nm)        2.8 GHz     95 W
Core i7-965   (45 nm)        3.2 GHz    130 W
Core i7-3970X (32 nm)        3.5 GHz    150 W

CPUの遷移電力がどのように増加するかを実際に見ることができます（指数関数的に！）。

また、トランジスタのサイズが縮小すると、いくつかの量子効果が発生します。ナノメートルレベルでは、トランジスタゲートは実際に「漏れやすく」なります。

http://computer.howstuffworks.com/small-cpu2.htm

ここではこのテクノロジーの仕組みについては触れませんが、Googleを使用してこれらのトピックを検索できると確信しています。

さて、今、伝送遅延について。

CPU内の各「ワイヤ」は小さなコンデンサとして機能します。また、トランジスタのベースまたはMOSFETのゲートは小さなコンデンサとして機能します。接続の電圧を変更するには、ワイヤを充電するか、充電を解除する必要があります。トランジスタが小さくなると、それを行うのが難しくなります。これが、実際にメモリアレイトランジスタが非常に小さくて弱いため、SRAMに増幅トランジスタが必要な理由です。

密度が非常に重要な一般的なIC設計では、ビットセルには非常に小さなトランジスタがあります。さらに、それらは通常、非常に大きなビット線容量を持つ大きなアレイに組み込まれています。これにより、ビットセルによるビットラインの放電が（比較的）非常に遅くなります。

From：SRAMセンスアンプの実装方法

基本的に、ポイントは、小さなトランジスタが相互接続を駆動しなければならないことです。

また、ゲート遅延があります。最新のCPUには10を超えるパイプラインステージがあり、最大で20まであります。

パイプライン処理のパフォーマンスの問題

誘導効果もあります。マイクロ波周波数では、それらは非常に重要になります。クロストークなどを調べることができます。

さて、たとえ3265810 THzプロセッサーを動作させることができたとしても、他の実用的な制限は、システムの他の部分がそれをサポートできる速度です。RAM、ストレージ、グルーロジック、および同様に高速に動作する他のインターコネクトが必要です。または、膨大なキャッシュが必要です。

お役に立てれば。

熱の問題はファジーヘアで十分にカバーされています。伝送遅延を要約するために、これを考慮してください：電気信号がマザーボードを通過するのに必要な時間は現在、最新のCPUの1クロックサイクル以上です。そのため、より高速なCPUを作成しても、多くのことは達成されません。

超高速プロセッサは、膨大な数を処理するプロセスでのみ有益であり、コードがチップ上で動作するように慎重に最適化されている場合にのみ有効です。データのために頻繁に他の場所に行かなければならない場合、その余分な速度はすべて無駄になります。今日のシステムでは、タスクの大部分を並行して実行でき、大きな問題は複数のコアに分割されています。

ラテックスコンパイルプロセスは次のように改善されるようです。

• より高速なIO。RAMdiskを試してください。
• 異なるコアで異なるドキュメントを実行する
• 200ページの画像集約型のジョブが2秒で完了することを期待していない

物理的制限には、熱、ゲート遅延、電気伝送速度の3つがあります。

これまでで最高のクロック速度の世界記録は（このリンクによると）8722.78 MHzです。

電気伝送の速度（光の速度とほぼ同じ）は絶対的な物理的限界です。これは、媒体よりも高速にデータを伝送することはできないためです。同時に、この制限は非常に高いため、通常は制限要因ではありません。

CPUは膨大な数のゲートで構成されており、そのうちのかなりの数が（次々に）直列に接続されています。高状態（1など）から低状態（0など）へ、またはその逆への切り替えには時間がかかります。これがゲート遅延です。したがって、100個のゲートをシリアルに接続しており、1つのゲートが切り替わるのに1 nsかかる場合、有効な出力を得るには、少なくとも100 ns待つ​​必要があります。

これらのスイッチは、CPUで最も電力を消費するものです。これは、クロック速度を上げるとスイッチが増えるため、より多くの電力を使用するため、熱出力が増えることを意味します。

過電圧（=>より多くの電力を供給する）は、ゲート遅延を少し減少させますが、熱出力を増加させます。

3 GHz前後のどこかで、クロック速度に使用される電力が非常に増加します。これが、1.5 GHz CPUをスマートフォンで実行できるのに対し、ほとんどの3〜4 GHz CPUはラップトップでも実行できない理由です。

ただし、CPUを高速化できるのはクロック速度だけではありません。また、パイプラインまたはマイクロコードアーキテクチャでの最適化により、大幅な高速化が可能になります。これが、3 GHz Intel i5（デュアルコア）が3 GHz Intel Pentium D（デュアルコア）の何倍も高速である理由です。

1つの質問は次のとおりです。CPU速度に物理的な制限はありますか？

それはCPU自体に大きく依存します。製造公差の結果、物理的限界は、同じウェーハであってもチップごとに少し異なります。

伝送遅延により、CPU速度に別の制限が生じます。しかし、彼らはそれがどれくらい速く得ることができるかについて言及しません。

それは、チップの設計者が選択するtransmission delayかspeed path length、選択するためです。一言で言えば、それはロジックが1クロックサイクルでどれだけの仕事をするかです。ロジックが複雑になると、最大クロックレートが遅くなりますが、消費電力も少なくなります。

これが、ベンチマークを使用してCPUを比較する理由です。サイクルごとの作業数は大きく異なるため、生のMHzを比較すると、間違った考えが得られる場合があります。

実際に、それは電圧の二乗にほぼ比例する火力発電definiteleyある：http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview すべての材料は、冷却効率を制限し、その比熱容量を有します。
冷却と伝送遅延に関する技術的な問題を考慮しないと、信号が1秒あたりのCPU内を移動できる距離を制限する光の速度がわかります。したがって、CPUは、動作が高速になると、サムラーを取得する必要があります。最後に、特定の周波数を超えて動作しているため、CPUは電子波動関数（シュレーディンガーの方程式に従って波動関数としてモデル化された電子）に対して透過的になります。
2007年、一部の物理学者は、動作速度の基本的な制限を計算しました。http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

他のすべての答えと同様に、CPU速度に直接影響を与えないかもしれないが、そのCPUの周りに何かを構築することを非常に困難にするかもしれないいくつかの他の考慮事項もあります。

つまり、DCを超えると、無線周波数が問題になります。あなたが速く行くほど、すべてが巨大なラジオとして振る舞う傾向があります。これは、PCBトレースがクロストーク、隣接するトラック/グランドプレーンとの固有の静電容量/インダクタンスの影響、ノイズなどを受けることを意味します。

あなたが速く行くほど、これはすべて悪化します- コンポーネントの脚は、例えば許容できないインダクタンスを導入する可能性があります。

ある種のDDR RAMを備えたRaspberry Piのレベルの「基本」PCBをレイアウトするためのガイドラインを見ると、データバスなどのすべてのトレースは同じ長さである必要があり、正しい終端などが必要です。 1GHzを大幅に下回ります。