มีอยู่ครั้งหนึ่งที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU เพิ่มขึ้นอย่างมากในแต่ละปี ในยุค 90 และต้นยุค 2000 โปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นด้วยความเร็วที่เหลือเชื่อ โดยถ่ายจากชิป Pentium 60 MHz ไปจนถึงโปรเซสเซอร์ระดับกิกะเฮิรตซ์ภายในหนึ่งทศวรรษ
ตอนนี้ ดูเหมือนว่าแม้แต่โปรเซสเซอร์ระดับไฮเอนด์ก็หยุดเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาแล้ว นักโอเวอร์คล็อกเฉพาะสามารถบังคับให้ซิลิคอนที่ดีที่สุดอยู่ที่ประมาณ 9 GHz ด้วยระบบระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว แต่สำหรับผู้ใช้ส่วนใหญ่ 5 GHz เป็นขีดจำกัดที่ยังไม่ผ่าน
ครั้งหนึ่ง Intel เคยวางแผนที่จะเข้าถึงโปรเซสเซอร์ 10 GHz แต่นั่นก็ยังไม่ถึงวันนี้เหมือนเมื่อสิบปีก่อน เหตุใดความเร็วสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์จึงหยุดเพิ่มขึ้น ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์จะเริ่มเพิ่มขึ้นอีกครั้ง หรือเวลานั้นผ่านไปแล้ว
เหตุใดความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU ไม่เพิ่มขึ้น:ความร้อนและพลังงาน
ดังที่เราทราบจากกฎของมัวร์ ขนาดของทรานซิสเตอร์จะลดลงเป็นประจำ ซึ่งหมายความว่าสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ลงในโปรเซสเซอร์ได้มากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว นี่หมายถึงพลังการประมวลผลที่มากขึ้น นอกจากนี้ยังมีปัจจัยอื่นในการเล่นที่เรียกว่า Dennard scaling หลักการนี้ระบุว่ากำลังที่จำเป็นในการรันทรานซิสเตอร์ในปริมาตรของยูนิตเฉพาะจะคงที่แม้ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์จะเพิ่มขึ้น
อย่างไรก็ตาม เราเริ่มพบกับข้อจำกัดของการปรับขนาด Dennard และบางคนกังวลว่ากฎของ Moore จะชะลอตัวลง ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถปรับขนาดเดนนาร์ดได้อีกต่อไป ทรานซิสเตอร์หดตัว แต่กำลังที่ใช้ในการเรียกใช้เพิ่มขึ้น
การสูญเสียความร้อนก็เป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบชิปเช่นกัน การอัดทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัวบนชิปแล้วเปิดและปิดหลายพันครั้งต่อวินาทีจะสร้างความร้อนได้มากมาย ความร้อนนั้นเป็นอันตรายต่อซิลิกอนที่มีความแม่นยำสูงและความเร็วสูง ความร้อนนั้นต้องไปที่ไหนสักแห่ง และต้องใช้โซลูชันการระบายความร้อนและการออกแบบชิปที่เหมาะสมเพื่อรักษาความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่เหมาะสม ยิ่งเพิ่มทรานซิสเตอร์มากเท่าใด ระบบระบายความร้อนก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเพื่อรองรับความร้อนที่เพิ่มขึ้น
การเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกายังหมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มปริมาณการใช้พลังงานของชิปสำหรับชิป เมื่อความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงขึ้น ความร้อนจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งต้องการโซลูชันการระบายความร้อนที่ทรงพลังยิ่งขึ้น การรันทรานซิสเตอร์เหล่านั้นและการเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกานั้นต้องการแรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้น ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้นอย่างมาก เมื่อเราพยายามเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกา เราพบว่าความร้อนและการใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในที่สุด ความต้องการพลังงานและความเร็วสัญญาณนาฬิกาของการผลิตความร้อนก็เพิ่มขึ้น
เหตุใดความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU ไม่เพิ่มขึ้น:ปัญหาของทรานซิสเตอร์
การออกแบบและองค์ประกอบทรานซิสเตอร์ยังป้องกันความเร็วสัญญาณนาฬิกาพาดหัวที่เราเคยเห็น ในขณะที่ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงอย่างน่าเชื่อถือ (เห็นได้ว่าขนาดของกระบวนการลดลงเมื่อเวลาผ่านไป) พวกมันก็ไม่ได้ทำงานเร็วขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ทรานซิสเตอร์จะมีความเร็วเพิ่มขึ้นเนื่องจากเกต (ส่วนที่เคลื่อนที่ตามกระแส) ได้บางลง แต่เนื่องจากกระบวนการ 45 นาโนเมตรของ Intel ประตูทรานซิสเตอร์จึงมีความหนาประมาณ 0.9 นาโนเมตร หรือประมาณความกว้างของอะตอมซิลิกอนเพียงตัวเดียว แม้ว่าวัสดุทรานซิสเตอร์ชนิดต่างๆ จะช่วยให้การทำงานของเกตเร็วขึ้น แต่ความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างง่ายที่เราเคยมีกลับหายไป
ความเร็วของทรานซิสเตอร์ไม่ใช่ปัจจัยเดียวในความเร็วสัญญาณนาฬิกาอีกต่อไป วันนี้ สายไฟที่เชื่อมต่อทรานซิสเตอร์เป็นส่วนสำคัญของสมการเช่นกัน เมื่อทรานซิสเตอร์หดตัว สายไฟที่เชื่อมต่อก็เช่นกัน ยิ่งสายไฟมีขนาดเล็ก อิมพีแดนซ์ก็จะยิ่งมากขึ้น และกระแสไฟต่ำลง การกำหนดเส้นทางอัจฉริยะช่วยลดเวลาในการเดินทางและการผลิตความร้อน แต่การเพิ่มความเร็วอย่างมากอาจต้องมีการเปลี่ยนแปลงกฎของฟิสิกส์
บทสรุป:เราทำดีกว่านี้ไม่ได้หรือ
นั่นอธิบายได้ว่าทำไมการออกแบบชิปที่เร็วขึ้นจึงเป็นเรื่องยาก แต่ปัญหาเหล่านี้กับการออกแบบชิปก็เคยเอาชนะมาก่อนใช่ไหม? เหตุใดจึงไม่สามารถเอาชนะได้อีกครั้งด้วยการวิจัยและพัฒนาที่เพียงพอ
ด้วยข้อจำกัดของฟิสิกส์และการออกแบบวัสดุทรานซิสเตอร์ในปัจจุบัน การเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาจึงไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุดในการเพิ่มกำลังในการคำนวณ ในปัจจุบัน การปรับปรุงด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้นมาจากการออกแบบโปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์ ด้วยเหตุนี้ เราจึงเห็นชิปเหมือนกับข้อเสนอล่าสุดของ AMD ด้วยจำนวนคอร์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก การออกแบบซอฟต์แวร์ยังไม่เป็นไปตามแนวโน้มนี้ แต่ดูเหมือนว่าจะเป็นทิศทางหลักของการออกแบบชิปในปัจจุบัน
ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่เร็วขึ้นไม่ได้หมายความว่าคอมพิวเตอร์จะเร็วและดีกว่าเสมอไป ความสามารถของคอมพิวเตอร์ยังคงเพิ่มขึ้นแม้ว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์จะราบเรียบ แนวโน้มในการประมวลผลแบบมัลติคอร์จะช่วยเพิ่มพลังในการประมวลผลที่ความเร็วพาดหัวเดียวกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อซอฟต์แวร์ขนานกันดีขึ้น
