マイクロプロセッサの最大クロック周波数

最近、AMDが5 GHZで動作する新しいVisheraシリーズのFXプロセッサをリリースしたと聞きました。私の質問は、プロセッサのクロックレートに上限があるかどうかです。つまり、クロックレートをこれまでどおりに上げ続けることができるのでしょうか。より高いクロックレートではどのような電気的問題が発生しますか？

編集：この質問は長い議論につながりました。CPUの速度がここ数年増加していないという事実は商業的な側面に関連しており、エンジニアリングや物理的な問題には直接関連していないことを理解することが重要です。このリンクで、既存のCPUでオーバークロックと過冷却によって達成された最高周波数を確認できます。

最初のPCの発明から2000年の初めまで、各CPUの主なパラメータはその周波数（最大動作周波数）でした。メーカーはより高い周波数を可能にする新しい技術を考え出そうとしました、そしてチップ設計者はチップがより高い周波数で動作することを可能にするマイクロアーキテクチャを開発するために非常に一生懸命に働きました。

しかし、チップがより小さく、より速くなると、放熱の問題が発生しました-スイッチングトランジスタによって生成された熱の全量を放散できなかった場合、チップが損傷しました。エンジニアはヒートシンクをプロセッサ、次にファンに取り付け始めましたが、最終的には、CPUの周波数を上げるというアプローチは、追加コストあたりの追加パフォーマンスの観点からは現実的ではないとの結論に達しました。

言い換えると、CPUの周波数が高くなる可能性がありますが、これによりCPU（実際には、CPUではなく冷却メカニズム）のコストが高くなります。代替手段があれば、消費者は高価なコンピュータを購入しません。

一般に、現在の技術プロセスでは、非常に高い周波数での動作が可能です（Intelが通常使用する3GHz以上で、AMDの5GHzでも上限ではありません）。しかしながら、これらの高周波で必要とされる冷却装置の関連コストは高すぎる。

これを強調したいのですが、現在のテクノロジーでは8-10GHzプロセッサの開発を妨げるような物理的影響はありません。ただし、このようなプロセッサの焼損を防ぐために、非常に高価な冷却機構を用意する必要があります。

さらに、プロセッサは通常「バースト」で動作します。これらのアイドル期間は非常に長く、続いて短いが非常に集中的な（したがってエネルギー消費が高い）期間が続きます。エンジニアは短時間で最高周波数で動作する10GHzプロセッサを構築できます（期間が短いため、追加の冷却は必要ありません）が、このアプローチも価値がありませんでした（疑わしい利益と比較して開発への投資が高い） ）。ただし、将来のマイクロアーキテクチャの改善に伴い、このアプローチは再検討される可能性があります。この5GHz AMDプロセッサは5GHzで常に動作するのではなく、短いバースト中に内部クロックを最大に上げると私は信じています。

物理 的制限：プロセステクノロジーごとに達成可能な最大クロックレートには物理的な制限があります（これはテクノロジーの最小機能サイズに依存します）。ただし、この制限に実際にプッシュされた最後のIntelのプロセッサーはPentium 4だったと思います。これは、今日、テクノロジーが進歩し、最小機能サイズが（一方でムーアの法則に従って）縮小されると、この縮小の唯一の利点は、同じ領域により多くのロジックを適合できることです（エンジニアはCPU周波数を限界まで押し上げなくなりました）。テクノロジーの）。

ところで、上記の制限は永遠に増やすことはできません。ムーアの法則と、さらなるアプライアンスに関連する問題についてお読みください。

物理的な限界があります。

プロセッサの周波数は、次の要素によって制限されます。

• 電流の速度（たとえば、銅）
• トランジスタのスイッチング速度
• プロセッサーのサイズ

CPUに乗数とレジスタがあるとします。一部の入力変数は乗算され、レジスタに格納されます。

電気信号は、信号線とトランジスタを通過するのに時間が必要です。

クロックレートを上げすぎると、次のサイクルが開始されたときに乗算が終了していません。乗算の結果を次の命令で使用したい場合があります。

したがって、CPUが小さい場合は、より高い周波数を設定できます。

参照：伝播遅延 相互接続のボトルネック