Можно ли увеличить скорость процессора за счет (физического) обновления тактовой частоты процессора?

Я где-то читал [...], что реальным ограничивающим фактором является скорость движения электронов в цепях, которая не будет соблюдаться до тех пор, пока не будут достигнуты чрезвычайно высокие частоты в ТГц или значительно выше ФГц.

Чистая фантастика. Скорость движения электрона сама по себе относительно мала. Скорость распространения электромагнитной волны — вот что интересно — порядка скорости света. На частоте 1 ТГц — или за 1 пс (пикосекунду, 1e-12 с) — ваш сигнал пройдет всего 0,3 мм.

что помешает мне ускорить процессор, если я заменю часы

Критический путь не позволит вам превысить определенную частоту, которая обычно ненамного превышает указанную. В двух словах, это путь сигнала, который занимает больше всего времени, но должен быть завершен за один такт. Как только вы поднимете тактовую частоту выше этого предела, процессор больше не будет работать правильно.

Действительно!? Вам никогда не приходило в голову, что если бы все, что вам нужно было сделать, это увеличить тактовую частоту, чтобы заставить процессор работать быстрее, кто-то уже сделал бы это. Вы действительно думаете, что Intel и другие компании с тысячами инженеров, занимающихся этой проблемой, не понимали, что все, что им нужно было сделать, это увеличить тактовую частоту вместо того, чтобы тратить несколько 100 G$ на новую фабрику? Ох!

Нет, это так не работает, очевидно же.

Во-первых, электроны в электрических проводниках движутся очень медленно. Однако это не имеет значения. Важна скорость распространения.

Во-вторых, скорость распространения сигнала не является ограничивающим фактором в современных процессорах. Остановитесь и на самом деле подумайте об этом. Какова скорость света? Даже если предположить, что скорость распространения сигнала вдвое меньше из-за импеданса линии передачи, сколько времени потребуется сигналу, чтобы пересечь кристалл? Нет, на самом деле иди разберись.

Реальные ограничения в современной передовой цифровой логике возникают из-за необходимости заряжать и разряжать неизбежную емкость любого проводника, напряжение которого вы пытаетесь переключить, а также из-за времени реакции полупроводников. Оба они вызывают задержку от начала управления входом затвора до тех пор, пока выход не достигнет порога, при котором нижестоящая схема будет надежно интерпретировать его как предполагаемый высокий или низкий уровень. Каждый отдельный вентиль может быть довольно быстрым, с задержкой менее нс. Однако делать значимые вещи в процессоре может ряд последовательных каскадов вентилей.

Большая часть конструкции высокопроизводительного процессора направлена ​​на уменьшение задержки затвора в наихудшем пути. Часто более короткая задержка может быть компенсирована сложностью.

Например, посмотрите на простой сумматор. Каждый этап принимает два добавляемых бита, перенос из предыдущего этапа, и создает выходной бит и перенос, которые передаются на следующий этап. Таким образом, в базовом сумматоре задержка логического элемента увеличивается с количеством битов. Старшие биты не могут быть добавлены, пока не будет доступен перенос из младших битов. Этот базовый сумматор также называется сумматором с пульсирующим переносом . Существуют и другие типы сумматоров, которые имеют функцию просмотра вперед . Они занимают больше ворот, но могут добавить два широких числа быстрее. Больше вентилей, конечно, означает больше затрат и больше энергопотребления, что означает необходимость большего охлаждения и т. д. Ничто не бывает бесплатным. Тот же самый принцип большего количества ворот для ускорения работы применяется во многих местах.

Затем есть другие вещи, такие как память, которые иногда работают по принципу, отличному от вентилей, и также имеют присущие им времена задержки.

Возвращаясь к первоначальному вопросу, суть в том, что все эти вентили функционируют с некоторой минимальной задержкой с момента, когда входы стабильны, до тех пор, пока не будут гарантированно верны выходы. Один из способов гарантировать это — зафиксировать входы на одном фронте тактового сигнала, а затем не использовать выходы до следующего фронта тактового сигнала. Люди, разрабатывающие процессор, очень тщательно решают, насколько быстро он может работать, в каком диапазоне температур и напряжений, чтобы все вентили имели правильные ответы к тому времени, когда эти ответы используются.

Еще одним ограничивающим фактором является возможность избавиться от тепла. Все эти маленькие паразитные емкости, заряжаясь и разряжаясь, вызывают ток, пропорциональный частоте зарядки и разрядки. Это означает, что более быстрые часы вызывают более высокий ток, что приводит к большему нагреву, от которого необходимо безопасно избавиться, чтобы чип продолжал функционировать. Кремний перестает быть полупроводником при температуре около 150 ° C, и, конечно, вам нужен запас ниже этой температуры. Если ворота расположены слишком плотно, слишком быстрое их срабатывание может привести к тому, что они станут слишком горячими, чтобы функционировать в рамках ваших возможностей по отводу тепла. Вот почему в некоторых случаях вы можете разогнать некоторые процессоры, охладив их больше, чем предполагалось. Обратите внимание, что это устраняет только один из ограничивающих факторов, поэтому вы не можете продолжать разгонять процессор, независимо от того, насколько сильно вы можете его охладить.

В любом случае, максимальная тактовая частота любого процессора — сложный вопрос. Нет, вы не можете просто ускорить его, чтобы заставить его работать быстрее и по-прежнему работать, и нет, ограничивающий фактор не имеет ничего общего с тем, как быстро движутся электроны.

Помимо того, что говорили другие, распространение электронов имеет значение, но не для всей схемы, а для самих транзисторов. Как только электромагнитная волна достигает транзистора, она ДОЛЖНА перемещать электроны (в этом весь смысл транзистора), и они могут быть медленными. Вот почему, например, технология NMOS была быстрее, чем PMOS и CMOS эпохи (около 1970/80), потому что, поскольку электроны быстрее, чем дырки (носители), транзистор p-типа (используемый в КМОП) замедлял распространение сигнала. Преимущества КМОП были настолько велики, что их все равно использовали, и решение пришло с миниатюризацией самих транзисторов. Существует взаимосвязь между затратами на задержку пути и размером транзистора, и обычно поэтому два процессора, выполненные на разных технологиях узлов, будут показывать разные тактовые частоты. Меньшие транзисторы - это более короткие пути для движения электронов.

Кроме того, в КМОП-транзисторах между затвором и каналом используется оксид металла, что эффективно компенсирует конденсатор (и делает входное сопротивление довольно высоким). Собственная емкость между затвором и каналом задерживает скорость, с которой будет переключаться транзистор, и это также добавляет задержки пути, которые будут устанавливать максимальную тактовую частоту процессора или цифрового устройства.