ทำไม CPU Clock Speed จึงไม่เพิ่มขึ้นอีกแล้ว

มีสมัยหนึ่งที่ CPU clock speed เพิ่มขึ้นอย่างดรามาติกทุกปี ในช่วง 90s และต้น 2000s プロセッサーเพิ่มความเร็วอย่างน่าประทับใจ จาก 60 MHz Pentium chips ถึง gigahertz-level processors ภายในทศวรรษ

ตอนนี้ ดูเหมือนว่าแม้ high-end processors ก็หยุดเพิ่ม clock speeds ผู้ overclock มุ่งมั่น บังคับให้ silicon ที่ดีที่สุดถึง 9 GHz ด้วยระบบทำความเย็น liquid nitrogen แต่สำหรับผู้ใช้ทั่วไป 5 GHz เป็นขีดจำกัดที่ยังข้ามไม่ได้

Intel เคยวางแผนจะถึง 10-GHz processor แต่มันยังไกลเหมือน 10 ปีก่อน ทำไม processor clock speed จึงหยุดเพิ่มขึ้น? จะเริ่มเพิ่มขึ้นอีก หรือสมัยนั้นผ่านไปแล้ว?

ทำไม CPU Clock Speed ไม่เพิ่มขึ้น: ความร้อนและพลังงาน

จาก Moore's law เรารู้ว่า transistor size หดเล็กลงอย่างสม่ำเสมอ หมายถึง transistor มากขึ้นสามารถบรรจุใน processor ได้ ปกติหมายถึง processing power มากขึ้น มีปัจจัยอีกอย่างชื่อ Dennard scaling หลักการนี้ระบุว่า พลังงานที่ต้องใช้รัน transistors ในปริมาตรหน่วยหนึ่ง คงที่แม้จำนวน transistors เพิ่มขึ้น

แต่เราเริ่มเจอขีดจำกัดของ Dennard scaling และบางคนกังวลว่า Moore's law ชาลง Transistors เล็กลงจน Dennard scaling ไม่ใช้ได้แล้ว Transistors หดเล็กลง แตาพลังงานที่ต้องใช้รันมันเพิ่มขึ้น

Thermal losses เป็นปัจจัยสำคัญใน chip design การบีบ transistors พันล้านบน chip และเปิด-ปิดพันครั้งต่อวินาที สร้างความร้อนมหาศาล ความร้อนนั้นเป็นพิษต่อ silicon ความแม่นยำสูงและความเร็วสูง ความร้อนต้องไปที่ไหน และ cooling solutions และ chip designs ที่เหมาะสมจำเป็นต้องรักษา clock speeds ที่สมเหตุสมผล ยิ่ง transistors เพิ่มมาก ยิ่ง cooling system ต้องทนทานมากขึ้นเพื่อรองรับความร้อนที่เพิ่ม

การเพิ่ม clock speeds ยังหมายถึง voltage increase ซึ่งนำไปสู่ cubic increase ใน power consumption ของ chip ดังนั้น clock speeds ขึ้น ความร้อนเพิ่ม ต้องการ cooling ทรงพลังมากขึ้น การรัน transistors และเพิ่ม clock speeds ต้องการ voltage มากขึ้น นำไปสู่ power consumption ที่มากขึ้นอย่างดรามาติก ในที่สุด power requirements และ heat production เกินกว่า clock speed increases

ทำไม CPU Clock Speed ไม่เพิ่มขึ้น: ปัญหา Transistor

Transistor design และ composition ยังป้องกัน headline clock speeds ที่ง่ายดายที่เราเคยเห็น แม้ transistors หดเล็กลงได้อย่างน่าเชื่อถือ (เห็น shrinking process sizes ตามเวลา) แต่มันไม่ทำงานเร็วขึ้น ปกติ transistors เร็วขึ้นเพราะ gates (ส่วนที่เคลื่อนไหวตอบสนองต่อกระแส) บางลง แต่มาตั้งแต่ 45nm process ของ Intel transistor gate ประมาณ 0.9nm thick หรือกว้างประมาณ silicon atom เดียว แม้วัสดุ transistor ต่างๆ อาจอนุญาตให้ gate operation เร็วขึ้น การเพิ่มความเร็วง่ายๆ ที่เราเคยมี อาจหายไปแล้ว

Transistor speed ยังไม่ใช่ปัจจัยเดียวของ clock speed อีกต่อไป วันนี้ สายไฟที่เชื่อม transistors เป็นส่วนใหญ่ของสมการด้วย เมื่อ transistors หดเล็ก สายเชื่อมก็หดเล็ก สายเล็กเท่าไหร่ impedance มากเท่านั้น และ current ต่ำลง Smart routing ช่วยลด travel time และ heat production ได้ แตการเพิ่มความเร็วดรามาติกอาจต้องการการเปลี่ยนแปลงกฎของฟิสิกส์

สรุป: เราทำได้ดีกว่านี้ไหม?

นี่แค่อธิบายทำไมการออกแบบ chip เร็วขึ้นยาก แตปัญหา chip design เหล่านี้เคยถูกเอาชนะมาก่อนใช่ไหม? ทำไมจึงไม่เอาชนะอีกด้วย research และ development ที่เพียงพอ?

ขอบคุณข้อจำกัดของฟิสิกส์ และ transistor material designs ปัจจุบัน การเพิ่ม clock speed ไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุดในการเพิ่ม computational power ปัจจุบัน การปรับปรุงพลังที่มากกว่ามาจาก multi-core processor designs ผลคือเราเห็น chips เช่น AMD รุ่นล่าสุด ที่มีจำนวน cores เพิ่มขึ้นอย่างดรามาติก Software design ยังไม่จับคู่ trend นี้ แต่ดูเหมือนจะเป็นทิศทางหลักของ chip design วันนี้

Clock speeds เร็วกว่า ไม่ได้หมายถึงคอมพิวเตอร์เร็วและดีกว่า ความสามารถของคอมพิวเตอร์ยังเพิ่มขึ้นได้แม้ processor clock speed ค้างที่ที่เดิม Trend การประมวลผล multi-core จะให้ processing power มากขึ้นที่ headline speeds เดียวกัน โดยเฉพาะเมื่อ software parallelization ปรับปรุงขึ้น