CPUメーカーがプロセッサのクロック速度を上げるのをやめたのはなぜですか？[閉まっている]

メーカーはより高いクロック速度に集中することをやめ、現在、パフォーマンスを改善するために他のことに取り組んでいると読みました。

と

• クロック速度3.0GHzのIntel®Xeon®Processor E3110を搭載した古いデスクトップマシン
• 2.1 GHzのクロック速度のAMD Opteron（TM）プロセッサー6272を搭載した新しいサーバー

（シングルスレッド）を使用して簡単な暗号化比較を実行した場合

 openssl aes256c

デスクトップはサーバーよりもはるかに優れたパフォーマンスを発揮しました。

それでは、最新の最適化を行ったとしても、クロック速度の優れたプロセッサのパフォーマンスが向上するのはなぜですか？

メーカーがクロック速度の増加に集中するのをやめた理由は、これを実現するのに十分な速さでプロセッサを冷却できなくなったためです。クロック速度が高いほど、より多くの熱が生成され、冷却に費やされるエネルギー量のためにプロセッサ速度を上げることはもはや効率的ではない段階に達しました。

他の答えは、クロック速度を上げてもすべての領域でパフォーマンスが向上するわけではないことについて詳しく説明します。

処理速度には、クロック速度よりもはるかに多くのことがあります。

• パイプライン配置のバリエーションが異なり、各コアに複数のコンポーネントユニット（加算器など）があるため、CPUごとに同じクロックサイクル数で異なる量を実行できます。テストではそうではありませんが、ティックごとにより多くの処理を実行できるため、「遅い」チップは高速のもの（クロックレートのみで測定）よりも多くの処理を行うことができます。

• 実行したテストは、CPUアーキテクチャの違いに非常に敏感な場合があります。特定のアーキテクチャ向けに最適化できます。IntelチップとAMDチップ間だけでなく、異なるファミリのIntel（またはAMD）チップ間でも実行が異なる場合があります。単一のスレッドも使用している可能性が高いため、CPUの複数のコアを活用していません。

• 電力および熱管理の理由により、クロックレートを下げる動きがあります。クロックレートを上げても、電力の使用と熱出力に直線的な影響はありません。

• 上記の非線形の関係により、今日の要件では、1つのユニットの速度をさらに上げるよりも、複数の処理ユニットを使用する方がはるかに効率的です。これにより、使用されていないときに個々のコアをオフにし、需要が再び増加したときにそれらを元に戻すなど、電力を節約するための巧妙なトリックも可能になります。もちろん、複数のコアがシングルスレッドアルゴリズムに役立つわけではありませんが、同時に2つ以上のインスタンスを実行した場合には役立ちます。

なぜメーカーは2つのプロセッサを比較するだけで実際にクロック速度を低下させていると思いますか？

1. 6272は、 3GHzののターボスピードを持っています。より低い基本速度は、すべてのコアにストレスがかかったときに、平均ワット数を下げ、ワークロードで許容できるTDPを維持するためのものです。
2. AMDのデスクトップ用の次の高性能チップFX-9590は5 GHzに達します。

また、クロック速度はクロックサイクルごとのパフォーマンスと同じではありません。i7-3930Kの1つの3.2 Ghzコアに対して3.8 Ghz P4を使用できますが、それはP4コアが高速であることを意味しません。

ここで述べた消費電力についてのすべては、TDPの問題について自然に関心を持つようになった16コア設計にとっても完全に有効かつ真実です。

また、opensslをテストするだけのベンチマーク手法は、現実世界の数値を提供するのが少し簡単です。たぶん、暗号ベンチマークスイートを試す必要があります。

テストケース（aes-256暗号化）は、プロセッサ固有の最適化に非常に敏感です。

暗号化/復号化操作を高速化することを目的とした特別な命令を持つさまざまなCPUがあります。これらの特別な指示はデスクトップに表示されるだけでなく、AMD CPUには異なる特別な指示がある場合があります。また、opensslはIntel CPUに対してのみこれらの特別な指示をサポートする場合があります。それが事実かどうかを確認しましたか？

どのシステムが高速であるかを調べるには、「適切な」ベンチマークスイートを使用してみてください。または、一般的なワークロードを使用してください。

シンプル：AMDチップは16コアチップであるため、はるかに高速です。115ワットでは、各コアが約7ワットを生成することを意味します。各コアが3 Ghzで実行されている場合、これは達成できません。その7ワットの数値を達成するために、AMDはクロック周波数を下げました。クロック周波数を10％下げると、消費電力が20％減り、チップ上に25％のコアを追加できます。

他の人が言ったように、過去に同じ相対的なクロックレートの増加に必要な電圧を押し上げると、CPUを効果的に冷却できなくなります。クロックレートが前の世代と比較して大幅に増加したため、新しいCPUを購入して「即時」のゲインが速度であることがわかる時間（P4時代以前）がありました。今、私たちはある種の断熱壁にぶつかりました。

プロセッサの新しい世代はそれぞれ、クロックレートがわずかに増加していますが、これはそれらを適切に冷却する能力にも関連しています。Intelなどのチップメーカーは、CPUのダイサイズの縮小に継続的に注力しており、同じクロックでCPUの電力効率を高め、発熱を抑えています。サイドノートとして、このダイサイズの縮小により、これらは現代のプロセッサを過熱ではなく過電圧で死にやすくします。これは、チップメーカーが他の最適化を行わずに、現在の世代のCPUの上限クロックレートも制限していることを意味します。

チップメーカーが重点的に取り組んでいるもう1つの分野は、チップ上のコアの数を増やすことです。これにより、計算能力が大幅に向上しますが、複数のコアを活用するソフトウェアを使用する場合のみです。 ここで計算能力と速度の違いに注意してください。簡単に言えば、速度とはコンピューターが単一の命令をどれだけ速く実行できるかを指し、計算能力はコンピューターが一定時間内に実行できる計算の数を指します。 現代の運用システム、および最新のソフトウェアの多くは、複数のコアを活用しています。問題は、並行/並列プログラミングが標準の線形プログラミングパラダイムよりも難しいことです。多くの開発者はこの方法でプログラムを作成することに慣れていなかったため、これにより、市場の多くのプログラムがこれらの新しいプロセッサの能力を最大限に活用するのにかかる時間が増加しました。マルチコアやマルチスレッドを活用しないプログラムが、今日でも市場に出回っています（最新またはレガシー）。あなたが引用した暗号化プログラムはその一例です。

チップメーカーが焦点を当てているこれら2つの領域は、本質的に関連しています。チップのダイサイズと消費電力の両方を削減することで、チップ上のコアの数を増やすことができます。しかし、最終的にはこれも壁にぶつかり、別のより劇的なパラダイムシフトを引き起こします。

このパラダイムシフトの理由は、チップ製造のベース材料としてのシリコンの限界に近づいているためです。これは、インテルや他の人々がしばらくの間解決に取り組んできたものです。インテルは、作業中にシリコンに代わるものがあると述べており、2017年以降にシリコンを目にする可能性が高いと述べています。これらのアイデアの両方に言及している記事はこちらです：http : //apcmag.com/intel-looks-beyond-silicon-for-processors-past-2017.htm

• 熱損失 Hは周波数の4番目の程度に等しくなりますf。

  H〜f ^ 4

  そのため、周波数を少し上げると、熱損失が大きくなります。

• さらなる小型化

  周波数が高くなると、水晶振動子の最小化につながります。現時点では、ナノメートルスケールの材料を効果的に使用するための技術はなく、ナノメートルが限界です。

他のいくつかの回答で述べたように、CPUメーカーは、消費電力と熱放散を制御するために、クロック速度を低くしたいと考えています。同じクロック速度でより多くの作業を行うために、いくつかの戦略が使用されます。

大規模なオンチップメモリ​​キャッシュは、CPUへのデータの配信が非常に遅いメインメモリとは対照的に、CPUに「近い」より多くのデータを保持し、最小限の遅延で処理できるようにします。

異なるCPU命令は、完了するまでに異なる数のクロックサイクルを必要とします。多くの場合、簡単な回路を使用して複数のクロックサイクルにわたる動作を実装するか、より複雑な回路を使用してより少ない回数で実行できます。

Intelの進化におけるこれの最も劇的な例はPentium 4にあります。これはクロック速度の大きな異常値でしたが、比例してうまく機能しませんでした。以前のチップでは1サイクルで32ビットをシフトすることができたビットシフト命令は、Pentium 4ではるかに単純な回路を使用し、各ビットシフトに1サイクルが必要でした。Pentium 4アーキテクチャは、そのシンプルさのためにはるかに高いクロック速度にスケーラブルであると期待されていましたが、うまくいかず、高速で複雑なシフト回路がコア以降のアーキテクチャに返されました。

IEEEから：

それでは、なぜクロックを速く押してみませんか？消費電力と熱放散の観点から、コストに見合う価値がなくなったためです。インテルは、速度/電力のトレードオフを「マルチコアプロセッサの基本定理」と呼んでいます。そのため、1つのチップで2つ以上の処理領域（コア）を使用するのが理にかなっています。

http://spectrum.ieee.org/computing/hardware/why-cpu-frequency-stalled