Đã có một lần khi tốc độ xung nhịp CPU tăng lên đáng kể từ năm này sang năm khác. Trong những năm 90 và đầu những năm 2000, bộ vi xử lý tăng với tốc độ đáng kinh ngạc, chụp từ chip Pentium 60 MHz đến bộ vi xử lý cấp Gigahertz trong vòng một thập kỷ.

Bây giờ, có vẻ như ngay cả các bộ vi xử lý cao cấp cũng đã ngừng tăng tốc độ đồng hồ của họ. Máy ép xung chuyên dụng có thể ép silicon tốt nhất vào khoảng 9 GHz với hệ thống làm mát bằng nitơ lỏng, nhưng đối với hầu hết người dùng, 5 GHz là giới hạn chưa được chuyển.

Intel đã từng có kế hoạch tiếp cận một bộ vi xử lý 10 GHz, nhưng điều đó vẫn còn xa tầm với ngày hôm nay như nó đã được mười năm trước đây. Tại sao tốc độ xung nhịp bộ xử lý ngừng tăng? Tốc độ đồng hồ của bộ vi xử lý sẽ bắt đầu tăng trở lại hay thời gian đó đã trôi qua?

Tại sao tốc độ xung nhịp CPU không tăng: Nhiệt và năng lượng

Như chúng ta đã biết từ định luật Moore, kích thước bóng bán dẫn được thu hẹp một cách thường xuyên. Điều này có nghĩa là nhiều bóng bán dẫn hơn có thể được đóng gói vào bộ xử lý. Thông thường điều này có nghĩa là sức mạnh xử lý lớn hơn. Ngoài ra còn có một yếu tố khác trong trò chơi, được gọi là mở rộng Dennard. Nguyên tắc này nói rằng sức mạnh cần thiết để chạy các bóng bán dẫn trong một khối lượng đơn vị cụ thể vẫn không đổi ngay cả khi số lượng bóng bán dẫn tăng lên.

Tuy nhiên, chúng tôi đã bắt đầu gặp phải các giới hạn của quy mô Dennard, và một số lo ngại rằng định luật Moore đang chậm lại. Các bóng bán dẫn đã trở nên quá nhỏ khiến cho quy mô Dennard không còn giữ được nữa. Các bóng bán dẫn co lại, nhưng sức mạnh cần thiết để chạy chúng tăng lên.

Tổn thất nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế chip. Cramming hàng tỷ bóng bán dẫn trên một con chip và biến chúng trên và tắt hàng ngàn lần mỗi giây tạo ra một tấn nhiệt. Nhiệt độ đó là chết người đối với silicon có độ chính xác cao và tốc độ cao. Đó là nhiệt phải đi đâu đó, và các giải pháp làm mát thích hợp và thiết kế chip được yêu cầu để duy trì tốc độ đồng hồ hợp lý. Càng nhiều bóng bán dẫn được thêm vào, hệ thống làm mát mạnh mẽ hơn phải phù hợp với sức nóng tăng lên.

Tăng tốc độ đồng hồ cũng ngụ ý tăng điện áp, dẫn đến tăng khối lượng tiêu thụ năng lượng cho chip. Vì vậy, khi tốc độ đồng hồ tăng lên, nhiều nhiệt hơn được tạo ra, đòi hỏi các giải pháp làm mát mạnh hơn. Chạy các bóng bán dẫn đó và tăng tốc độ đồng hồ đòi hỏi nhiều điện áp hơn, dẫn đến tiêu thụ năng lượng lớn hơn đáng kể. Vì vậy, khi chúng tôi cố gắng tăng tốc độ đồng hồ, chúng tôi thấy rằng nhiệt và tiêu thụ điện tăng đáng kể. Cuối cùng, các yêu cầu về điện năng và tốc độ xung nhịp ngoài sản xuất nhiệt tăng lên.

Tại sao tốc độ xung nhịp CPU không tăng: Transistor Troubles

Thiết kế và thành phần Transistor cũng ngăn cản tốc độ đồng hồ tiêu đề dễ dàng mà chúng ta từng thấy. Trong khi các bóng bán dẫn là đáng tin cậy nhận được nhỏ hơn (nhân chứng thu nhỏ kích thước quá trình theo thời gian), họ không hoạt động nhanh hơn. Thông thường, các bóng bán dẫn đã nhanh hơn vì các cổng của chúng (phần di chuyển theo phản ứng với dòng điện) bị mỏng đi. Tuy nhiên, kể từ quy trình 45nm của Intel, cổng transistor có chiều dày xấp xỉ 0, 9nm, hoặc về chiều rộng của một nguyên tử silicon đơn. Trong khi các vật liệu bóng bán dẫn khác nhau có thể cho phép vận hành cổng nhanh hơn, thì tốc độ tăng dễ dàng mà chúng tôi từng có có thể đã biến mất.

Tốc độ transistor cũng không phải là yếu tố duy nhất trong tốc độ đồng hồ nữa. Ngày nay, các dây kết nối các bóng bán dẫn cũng là một phần quan trọng của phương trình. Khi các bóng bán dẫn co lại, do đó, các dây kết nối chúng. Các dây nhỏ hơn, trở kháng càng lớn và dòng điện càng thấp. Định tuyến thông minh có thể giúp giảm thời gian đi lại và sản xuất nhiệt, nhưng tốc độ tăng đáng kể có thể yêu cầu thay đổi luật pháp vật lý.

Kết luận: Chúng ta không thể làm tốt hơn?

Điều đó giải thích tại sao việc thiết kế chip nhanh hơn là khó khăn. Nhưng những vấn đề này với thiết kế chip đã bị chinh phục trước đó, đúng không? Tại sao họ không thể được khắc phục một lần nữa với đầy đủ nghiên cứu và phát triển?

Nhờ những hạn chế của vật lý và các thiết kế vật liệu transistor hiện nay, việc tăng tốc độ đồng hồ hiện không phải là cách tốt nhất để tăng công suất tính toán. Ngày nay, những cải tiến lớn hơn về sức mạnh đến từ các thiết kế vi xử lý đa lõi. Kết quả là, chúng tôi thấy các chip như các dịch vụ gần đây của AMD, với số lõi tăng lên đáng kể. Thiết kế phần mềm vẫn chưa bắt kịp xu hướng này, nhưng nó dường như là hướng chính của thiết kế chip ngày nay.

Tốc độ đồng hồ nhanh hơn không nhất thiết có nghĩa là máy tính nhanh hơn và tốt hơn. Khả năng máy tính vẫn có thể tăng ngay cả khi tốc độ đồng hồ của bộ vi xử lý. Xu hướng trong xử lý đa lõi sẽ cung cấp sức mạnh xử lý lớn hơn ở cùng tốc độ dòng tiêu đề, đặc biệt khi việc song song phần mềm được cải thiện.

Tín dụng hình ảnh: ourworldindata.org