Prečo stále nemáme 10Ghz procesory? Intel vysvetľuje.

Kedysi bola psychologická bariéra 100MHz, potom 1GHz. Keby sme zašli ďalej do minulosti, tak sa procesory zaobišli aj s taktovacou frekvenciou napríklad 4,77 MHz (áno, mega, nie giga). Vývoj v minulosti by však naznačoval, že dnes sme už dávno mali mať 10GHz procesory. Kde je teda problém?

Asi si domyslíte, že teplota je celkom dobrý argument. Vyššie frekvencie spôsobia, že procesor produkuje viac tepla, ktoré PC tuneri redukujú rôznymi spôsobmi, ako napr. tekutým dusíkom. To však nie je praktické riešenie pre každého.

Victoria Zhislina z Intelu vysvetľuje, prečo už frekvencie nestúpajú tak, ako kedysi:

Hlavné obmedzenie je na úrovni “dopravy”, ktorá je pri superskalárnej štruktúre základ. Každé vykonanie inštrukcie sa rozdelí do niekoľkých krokov. Tieto kroky nasledujú sekvenčne jeden po druhom a vykonávajú sa na rôznych oddelených výpočtových zariadeniach.

Obrázok ukazuje zjednodušenú schému krokov, prerušovanú “tiknutiami” taktovacích hodín procesora. Pri tiknutí t2 je prvá časť úlohy vykonaná a môže sa začať riešiť druhá na inom zariadení.

Čo to má spoločné s frekvenciami? Rôzne štádiá sa môžu meniť počas vykonávania. V jednej chvíli sú rôzne kroky jednej inštrukcie vykonávané počas viacerých tiknutí. Dĺžka tiknutia (aj frekvencia) musí súhlasiť s najdlhšie trvajúcim krokom.

Pri takomto spôsobe spracovania by skracovanie času medzi tiknutiami (čiže zvyšovanie frekvencie) neprinieslo úžitok. Je to technicky možné, no procesor by sa tým nezrýchlil.

Povedzme, že na najdlhší krok je potrených 500 ps (pikosekúnd). To je dĺžka tiknutia keď je frekvencia procesora 2GHz. Skrátime tiknutie na polovicu, takže 250 ps a všetko okrem frekvencie zostane rovnaké. Krok, ktorý je najdlhší bude vykonaný počas dvoch tiknutí, čo je dokopy 500 ps. Nič sa nezískalo, iba je zmena komplikovanejšia a procesor produkuje viac tepelných emisí.

Mohli by ste namietať, že skrátením tiknutí by boli kratšie kroky vykonané rýchlejšie, takže by priemerná rýchlosť spracovania mohla byť vyššia. Nasledujúca schéma však ukazuje, že to tak nie je …

10Ghz procesory 03 — Spracovanie bude najskôr rýchlejšie, no pri štvrtom tiknutí vidno, ako dlhšie kroky spôsobujú zdržanie.

Tretie výpočtové zariadenie sa uvoľní až po dvoch tiknutiach namiesto jedného. Kým je zaneprázdnené tretím krokom jednej inštrukcie, ten istý krok inej inštrukcie sa nemôže vykonávať.

Ako teda začať cestu, na ktorej konci budeme mať 10GHz procesory?

Podľa Victorie jediný spôsob, akým účinne zvýšiť frekvenciu je skrátenie najdlhšieho kroku inštrukcie. Nanešťastie, to momentálne nie je celkom reálny scenár. Jeden zo spôsobov by mohol byť vyspelejší technologický proces, ktorý redukuje fyzické rozmery komponentov. Procesor by bol rýchlejší, lebo by elektrické impulzy prekonávali kratšie vzdialenosti a zredukoval by sa čas na prepínanie tranzistorov.

V skutočnosti sa však všetko vyvíja naraz. Všetky kroky sa skracujú spoločne vrátane toho najdlhšieho, ale na úrovni nanometrov je to veľmi zložité. Zvyšovanie frekvencií veľmi záleží od aktuálnej úrovne vyspelosti technológie. Zdokonalenia sú pritom limitované fyzickými hranicami. To je jeden z dôvodov, prečo sa snažia výrobcovia zvyšovať výkony zvyšovaním počtov jadier procesorov.

Je však zjavné, že to je spôsob, ktorý nebude možné uplatňovať donekonečna. Aj keby cieľ neboli 10GHz procesory, raz sa bude musieť prejsť na úplne nové technológie, nové materiály a novú architektúru.

Zdroj: software.intel.com

O autorovi

Peter Vnuk

Je celoživotným fanúšikom technológií a pracuje pre niekoľko popredných slovenských médií z tejto oblasti. Okrem produktových recenzií, spravodajstva zo sveta vedy a techniky, sa venuje tiež tematickým článkom na hi-tech témy, ako je umelá inteligencia, robotika, virtuálna realita a pod. Je mu blízka tiež herná sféra, preto recenzuje aj herné príslušenstvo a hry.