सीपीयू की गति क्या है?

Question

मैंने हाल ही में एक दोस्त के साथ LaTeX संकलन के बारे में बात की है। LaTeX संकलन के लिए केवल एक कोर का उपयोग कर सकता है। तो LaTeX संकलन की गति के लिए, सीपीयू की घड़ी की गति सबसे महत्वपूर्ण है ( सर्वश्रेष्ठ लाटेक्स संकलन प्रदर्शन के लिए हार्डवेयर चुनने के लिए युक्तियां देखें )

जिज्ञासा से बाहर, मैंने उच्चतम गति वाले सीपीयू की तलाश की है। मुझे लगता है कि यह 4.4 गीगाहर्ट्ज ( स्रोत ) के साथ इंटेल एक्सोन एक्स 5698 था जिसमें घड़ी की गति सबसे अधिक थी।

लेकिन यह सवाल सीपीयू के बारे में नहीं है जो बेचे जाते हैं। मैं जानना चाहूंगा कि यदि आप कीमत की परवाह नहीं करते हैं तो यह कितनी तेजी से हो सकता है।

तो एक सवाल यह है कि क्या सीपीयू की गति की कोई भौतिक सीमा है? यह कितना ऊँचा है?

और दूसरा सवाल यह है: सीपीयू की उच्चतम गति क्या है?

मैंने हमेशा सोचा है कि सीपीयू की गति सीमित थी क्योंकि शीतलन (इतनी गर्मी ) इतनी मुश्किल हो जाती है। लेकिन मेरे दोस्त को संदेह है कि यह कारण है (जब आपको एक वैज्ञानिक प्रयोग में पारंपरिक / सस्ते शीतलन प्रणाली का उपयोग नहीं करना पड़ता है)।

[2] में मैंने पढ़ा है कि ट्रांसमिशन देरी सीपीयू की गति में एक और सीमा का कारण बनती है। हालांकि, वे यह उल्लेख नहीं करते हैं कि यह कितनी तेजी से मिल सकता है।

मैंने जो पाया है

• [१] वैज्ञानिकों ने प्रोसेसर की गति के लिए मौलिक अधिकतम सीमा ज्ञात की : केवल क्वांटम कंप्यूटर के बारे में होना चाहिए, लेकिन यह प्रश्न "पारंपरिक" सीपीयू के बारे में है।
• [२] सीपीयू की गति पर सीमाएँ क्यों हैं?

मेरे बारे में

मैं कंप्यूटर साइंस का छात्र हूं। मैं सीपीयू के बारे में कुछ जानता हूं, लेकिन बहुत ज्यादा नहीं। और भौतिकी के बारे में भी कम है जो इस प्रश्न के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है। तो कृपया अपने उत्तरों के लिए इसे ध्यान में रखें, यदि यह संभव है।

Comments

आपका प्रश्न एक अच्छा है, कुछ बहुत अच्छे और शिक्षित उत्तरों की अपेक्षा करें। मेरे दो सेंट: निहितार्थ "यह केवल एक कोर को चलाता है" -> "घड़ी सबसे महत्वपूर्ण है" सच नहीं है।

— व्लादिमीर क्रेवरो

ओवरक्लॉक किए गए सीपीयू का वर्तमान रिकॉर्ड एएमडी बुलडोजर है, जो 8.4 गीगाहर्ट्ज़ पर चल रहा है । तरल नाइट्रोजन का उपयोग करके इसे ठंडा किया गया था।

— tcrosley

हालांकि सवाल का शीर्षक "सीपीयू की गति क्या है?" यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि कथन: "LaTeX संकलन के लिए केवल एक कोर का उपयोग कर सकता है। इसलिए LaTeX संकलन की गति के लिए, सीपीयू की घड़ी की गति सबसे महत्वपूर्ण है" जरूरी नहीं कि सही हो। सीपीयू कैश से भी फर्क पड़ सकता है। आधुनिक सीपीयू कैसे काम करता है, इस तथ्य के साथ संयुक्त होने के कारण कि अलग-अलग सीपीयू समान आवृत्तियों वाले होते हैं, लेकिन अलग-अलग कैश (एस) आकार (एस) और सॉफ्टवेयर कैसे लिखा जाता था और इसका उपयोग किया जाता है, सीपीयू कैश निष्पादन की गति पर अधिक प्रभाव डाल सकता है। सीपीयू आवृत्ति।

— शिवन ड्रैगन

एकल-थ्रेड प्रदर्शन सीधे घड़ी की गति के लिए आनुपातिक नहीं है; रिश्ता अधिक जटिल है। यह आंशिक रूप से हाल ही में इंटेल x86 माइक्रोआर्किटेक्चर की समानता से प्रभावित हो सकता है जो बढ़ती आवृत्ति में कुछ लागतों के लिए क्षतिपूर्ति करने वाले सूक्ष्मजैविक्युरल सुधारों के साथ है।

— पॉल ए। क्लेटन

मेरा सुझाव है कि २०१४ के २ जीएचजेड प्रोसेसर की तुलना २०१४ के २ जीएचजेड प्रोसेसर से करें; आप पाएंगे कि वे एकल-थ्रेडेड कार्यों पर भी एक ही बॉलपार्क में नहीं हैं, और यहां तक ​​कि जब दोनों एक ही निर्देश सेट को लागू करते हैं - तो उनके द्वारा खिलाए गए CISC निर्देश एक बात हैं, लेकिन ये जो माइक्रोप्रेशन हैं वे टूट गए हैं काफी दूसरे में हैं।

— चार्ल्स डफी

Answer 1

व्यावहारिक रूप से, सीपीयू की गति किस सीमा तक होती है, दोनों उत्पन्न गर्मी और गेट देरी होती है, लेकिन आमतौर पर, बाद वाले किक से पहले गर्मी बहुत बड़ा मुद्दा बन जाती है।

हाल के प्रोसेसर CMOS तकनीक का उपयोग कर निर्मित किए जाते हैं। हर बार जब घड़ी का चक्र होता है, तो शक्ति का प्रसार होता है। इसलिए, उच्च प्रोसेसर गति का मतलब अधिक गर्मी लंपटता है।

http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

यहां कुछ आंकड़े दिए गए हैं:

Core i7-860   (45 nm)        2.8 GHz     95 W
Core i7-965   (45 nm)        3.2 GHz    130 W
Core i7-3970X (32 nm)        3.5 GHz    150 W

आप वास्तव में देख सकते हैं कि सीपीयू संक्रमण शक्ति कैसे बढ़ती है (तेजी से!)।

इसके अलावा, कुछ क्वांटम प्रभाव भी होते हैं, जो ट्रांजिस्टर के आकार को कम कर देते हैं। नैनोमीटर के स्तर पर, ट्रांजिस्टर द्वार वास्तव में "लीक" बन जाते हैं।

http://computer.howstuffworks.com/small-cpu2.htm

मैं इस तकनीक में कैसे काम करता हूँ, इस बारे में नहीं पता हूँ, लेकिन मुझे यकीन है कि आप इन विषयों को देखने के लिए Google का उपयोग कर सकते हैं।

ट्रांसमिशन देरी के लिए ठीक है, अब।

सीपीयू के अंदर प्रत्येक "तार" एक छोटे संधारित्र के रूप में कार्य करता है। इसके अलावा, ट्रांजिस्टर का आधार या MOSFET का गेट छोटे कैपेसिटर के रूप में कार्य करता है। एक कनेक्शन पर वोल्टेज को बदलने के लिए, आपको या तो तार को चार्ज करना होगा या चार्ज को निकालना होगा। जैसा कि ट्रांजिस्टर सिकुड़ते हैं, ऐसा करना अधिक कठिन हो जाता है। यही कारण है कि SRAM को प्रवर्धन ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है, क्योंकि वास्तव में मेमोरी सरणी ट्रांजिस्टर इतने छोटे और कमजोर होते हैं।

विशिष्ट आईसी डिजाइनों में, जहां घनत्व बहुत महत्वपूर्ण है, बिट-कोशिकाओं में बहुत छोटे ट्रांजिस्टर होते हैं। इसके अतिरिक्त, वे आम तौर पर बड़े सरणियों में निर्मित होते हैं, जिनमें बहुत बड़ी बिट-लाइन समाई होती है। इसका परिणाम बिट-सेल द्वारा बिट-लाइन के बहुत धीमे (अपेक्षाकृत) निर्वहन होता है।

से: SRAM भावना एम्पलीफायर कैसे लागू करें?

असल में, मुद्दा यह है कि छोटे ट्रांजिस्टर के लिए इंटरकनेक्ट को चलाना कठिन है।

इसके अलावा, वहाँ गेट देरी कर रहे हैं। आधुनिक सीपीयू में दस से अधिक पाइपलाइन चरण हैं, शायद बीस तक।

पाइपलाइनिंग में प्रदर्शन के मुद्दे

आगमनात्मक प्रभाव भी हैं। माइक्रोवेव आवृत्तियों पर, वे काफी महत्वपूर्ण हो जाते हैं। आप crosstalk और उस तरह के सामान को देख सकते हैं।

अब, भले ही आप 3265810 THz प्रोसेसर काम करने का प्रबंधन करते हैं, लेकिन एक अन्य व्यावहारिक सीमा यह है कि बाकी सिस्टम कितनी तेजी से इसका समर्थन कर सकता है। आपके पास रैम, स्टोरेज, ग्लू लॉजिक और अन्य इंटरकनेक्शन्स होने चाहिए, जो कि उतनी ही तेजी से काम करते हैं, या आपको अपार कैश की जरूरत है।

उम्मीद है की यह मदद करेगा।

Comments

आप के बारे में कैसे घड़ी की गति और बिजली की खपत अच्छा संदर्भ के लिए इस चर्चा के लिए एक लिंक शामिल करने के लिए चाहते हो सकता है संबंधित हैं: physics.stackexchange.com/questions/34766/...

— Emiswelt

वहाँ भी बिजली की गति जब प्रसारण के बारे में बात करने पर विचार करने के लिए देरी है en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

— ryantm

क्या यह वास्तव में तेजी से बढ़ता है, या सिर्फ चतुर्भुज? वास्तव में, इस वीडियो कि कहते हैं Power = Frequency ^ 1.74।

— पॉल मंता

अच्छा बिंदु, हालांकि, सीपीयू डिजाइन में प्रमुख कठिनाइयों में से एक इंटरकनेक्ट है। शारीरिक रूप से बड़ी चिप संभव हो सकती है, लेकिन याद रखें कि ये गीगाहर्ट्ज़ रेंज में काम कर रही हैं। आप तारों को छोटा रखना चाहते हैं।

— फजीहायर 2

चूंकि प्रश्न सैद्धांतिक है, इसलिए यह जोड़ा जा सकता है कि अन्य अर्धचालक, जैसे गैलियम आर्सेनाइड, उच्च आवृत्तियों के लिए अनुमति देते हैं।

— इकोपो जू

Answer 2

गर्मी का मुद्दा फजिहिर द्वारा अच्छी तरह से कवर किया गया है। ट्रांसमिशन देरी को संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए, इस पर विचार करें: मदरबोर्ड को पार करने के लिए विद्युत सिग्नल के लिए आवश्यक समय अब एक आधुनिक सीपीयू के एक से अधिक घड़ी चक्र है। तो तेजी से CPU बनाने से बहुत कुछ पूरा नहीं होने वाला है।

सुपर-फास्ट प्रोसेसर वास्तव में केवल बड़े पैमाने पर नंबर-क्रंचिंग प्रक्रियाओं में फायदेमंद है, और केवल तभी जब आपका कोड सावधानीपूर्वक अनुकूलित किया जाता है, यह ऑन-चिप काम करता है। यदि यह अक्सर डेटा के लिए कहीं और जाना है कि अतिरिक्त गति बर्बाद हो जाती है। आज की प्रणालियों में अधिकांश कार्यों को समानांतर में चलाया जा सकता है और बड़ी समस्याओं को कई कोर में विभाजित किया जाता है।

ऐसा लगता है कि आपकी लेटेक्स संकलन प्रक्रिया में सुधार होगा:

• तेज IO। एक RAMdisk का प्रयास करें।
• विभिन्न कोर पर अलग-अलग दस्तावेज़ चला रहा है
• 2-सेकंड में 200-पेज की छवि-गहन नौकरी की उम्मीद नहीं है

Comments

बहुत बुरा मुझे केवल एक अपवोट की अनुमति है। आपका उत्तर इस ओर इशारा करने के अधिक योग्य है कि ओपी की समस्या में घड़ी की दर अड़चन नहीं हो सकती है।

— सोलोमन स्लो

Answer 3

तीन भौतिक सीमाएं हैं: हीट, गेट देरी और इलेक्ट्रिक ट्रांसमिशन की गति।

अब तक की सर्वाधिक घड़ी की गति पर विश्व रिकॉर्ड ( इस लिंक के अनुसार ) 8722.78 मेगाहर्ट्ज है

विद्युत संचरण की गति (प्रकाश की गति के समान) पूर्ण भौतिक सीमा है, क्योंकि कोई भी डेटा मध्यम से अधिक तेजी से प्रेषित नहीं किया जा सकता है। उसी समय यह सीमा बहुत अधिक है, इसलिए यह आमतौर पर एक सीमित कारक नहीं है।

सीपीयू में बड़ी मात्रा में द्वार होते हैं, जिनमें से काफी कुछ क्रमिक रूप से जुड़े होते हैं (एक के बाद एक)। उच्च स्थिति (जैसे 1) से निम्न अवस्था (उदाहरण 0) या इसके विपरीत में स्विच करने में थोड़ा समय लगता है। यह गेट की देरी है। इसलिए यदि आपके पास क्रमिक रूप से 100 गेट जुड़े हुए हैं और स्विच करने के लिए 1 एन.एस.

ये स्विच एक सीपीयू पर सबसे अधिक बिजली लेने वाली चीज है। इसका मतलब है कि अगर आप घड़ी की गति बढ़ाते हैं तो आपको अधिक स्विच मिलते हैं और इस प्रकार अधिक बिजली का उपयोग होता है जिससे गर्मी का उत्पादन बढ़ता है।

ओवरवॉल्टिंग (=> अधिक शक्ति प्रदान करना) गेट की देरी को थोड़ा कम कर देता है, लेकिन फिर से गर्मी उत्पादन में वृद्धि करता है।

कहीं-कहीं 3 GHz की घड़ी की गति का बिजली उपयोग बेहद बढ़ जाता है। यही कारण है कि 1.5 गीगाहर्ट्ज़ सीपीयू स्मार्ट फोन पर चल सकता है जबकि अधिकांश 3-4 गीगाहर्ट्ज़ सीपीयू को लैपटॉप पर भी नहीं चलाया जा सकता है।

लेकिन क्लॉक स्पीड केवल एक चीज नहीं है जो सीपीयू को गति दे सकती है, पाइपलाइन या माइक्रोकोड आर्किटेक्चर पर भी अनुकूलन एक महत्वपूर्ण गति-अप पैदा कर सकता है। यही कारण है कि एक 3 गीगाहर्ट्ज इंटेल i5 (ड्यूलकोर) 3 गीगाहर्ट्ज इंटेल पेंटियम डी (डुअलकोर) जितना तेज है।

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बस ओवरक्लॉकिंग से सीपीयू शक्ति का उपयोग रैखिक रूप से बढ़ जाता है। तो दोहरी गति का अर्थ है दोहरी शक्ति का उपयोग। लेकिन उच्चतर घड़ी की गति पर, उस घड़ी की गति के साथ काम करने के लिए द्वार बहुत धीमे हो जाते हैं और आपको गणना संबंधी त्रुटियां होने लगती हैं -> यादृच्छिक क्रैश। इसलिए आपको फाटकों को गति देने के लिए वोल्टेज बढ़ाने की आवश्यकता है। वोल्टेज की तुलना में पावर स्केल्स का उपयोग चौकोर होता है। तो डबल वोल्टेज का मतलब बिजली के उपयोग से चार गुना है। घड़ी को दोगुना करने के लिए इसे जोड़ें और आपको बिजली के उपयोग का आठ गुना समय मिलेगा। इसके अलावा आवश्यक वोल्टेज घड़ी की गति के साथ तेजी से बढ़ जाती है। en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissuction

— डकारन

यहां दूसरी समस्या यह है कि ओवरवॉल्टिंग आपके सीपीयू को भून सकती है और ऐसा कुछ भी नहीं है जो उसके खिलाफ किया जा सके। यदि आपका सीपीयू 3.3 वी के लिए निर्दिष्ट है, तो आप 3.7 या शायद 4 वी तक जा सकते हैं, लेकिन यदि आप उच्च पर जाते हैं, तो यह चिप को नष्ट कर देगा। पढ़ने के लिए एक और लिंक: en.wikipedia.org/wiki/CPU_core_voltage

— डकारन

संचरण की गति है एक समस्या: 3Ghz में आप केवल 10 सेमी / चक्र मिलता है। चूँकि एक सामान्य प्रोसेसर की मृत्यु वर्तमान में 300 m² है, मेरा मानना ​​है कि 10 Ghz के बाद प्रोसेसर डिज़ाइन को पुनर्विचार करना होगा क्योंकि संभवतः चिप के सभी भागों को एक चक्र में नहीं पहुँचा जा सकता है।

— मार्टिन श्रोडर

@ MartinSchröder: यह बहुत ज्यादा समस्या नहीं है, क्योंकि (ए) 10 गीगाहर्ट्ज तक पहुंचने से पहले गर्मी और गेट देरी से सीपीयू मर जाता है और (बी) प्रोसेसर प्रत्येक पीढ़ी के साथ छोटे हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, हाइपरथ्रेडिंग के साथ एक 6-कोर i7 में सिंगलकोर पेंटियम 4 के समान आकार होता है। लेकिन हाइपरथ्रेडिंग के लिए i7 में 6 पूर्ण कोर और 6 "आधे-कोर" होते हैं। इसके अलावा कैश है। इसके अलावा ये कोर पाइपलाइन चरणों में विभाजित हैं। केवल एक कोर और एक पाइपलाइन चरण में सीपीयू के कुछ हिस्सों (और शायद एल 1-कैश) को एक चक्र में पहुंचने की आवश्यकता है।

— डकारन

@ com.prehensible आपके द्वारा लिंक किया गया पोस्ट वास्तव में इस तथ्य के बारे में विशेष रूप से बात करता है, कि यह 500GHz ट्रांजिस्टर एनालॉग आरएफ प्रापर के लिए उपयोग किया जाने वाला एक एनालॉग ट्रांजिस्टर "केवल" है। यह किसी भी तरह से एक कंप्यूटर प्रोसेसर नहीं है।

— डकारन

Answer 4

आपके प्रश्नों के उत्तर हैं: हाँ , CPU गति की एक भौतिक सीमा है। उच्चतम सैद्धांतिक सीमा इस बात से निर्धारित होगी कि "स्विच" कितनी तेजी से राज्यों को स्विच कर सकता है। यदि हम स्विच के आधार के रूप में इलेक्ट्रॉन का उपयोग करते हैं, तो हम आवृत्ति गणना के लिए Bohr त्रिज्या और सबसे तेज गति संभव का उपयोग करते हैं। प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थिति में, वास्तविक सीमा लगभग

$$r = 5.291\times 10^{-11}$$ $$c = 3 \times 10^8,$$ $$F = \frac{1}{t} = \frac{c}{2} \pi r = 9.03\times 10^{17}\text{Hz}$$ $$8\times 10^9\text{Hz}$$

Comments

मैंने आपके LaTeX में कुछ संपादन किए। क्या आप जाँच सकते हैं कि क्या आवृत्ति में परिवर्तन सही था?

— मार्टिन थोमा

आप प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थिति के साथ कैसे आए?

— मार्टिन थोमा

आप लिखते हैं कि वर्तमान सीमा "8x 10 ^ 9 हर्ट्ज" है। X क्या है? क्या आप अंततः एक गुणा डॉट लिखना चाहते थे?

— मार्टिन थोमा

आप अधिकतम प्रभाव के लिए ब्लैक होल के श्वार्स्चिल्ड त्रिज्या पर उस तेज संभव कंप्यूटर का निर्माण भी करेंगे। बोह्र त्रिज्या उच्च गति पर काम करने के लिए बड़े से बड़ा रास्ता है। :)

— गोसविन वॉन ब्रेडरलो

Answer 5

तो एक सवाल यह है कि क्या सीपीयू की गति की कोई भौतिक सीमा है?

यह CPU पर अत्यधिक निर्भर करता है। विनिर्माण सहिष्णुता इस तथ्य के परिणामस्वरूप होती है कि भौतिक सीमा प्रत्येक चिप के लिए एक ही वेफर से थोड़ी भिन्न होती है।

ट्रांसमिशन देरी सीपीयू की गति में एक और सीमा का कारण बनती है। हालांकि, वे यह उल्लेख नहीं करते हैं कि यह कितनी तेजी से मिल सकता है।

ऐसा इसलिए है क्योंकि transmission delayया speed path lengthबनाने के लिए चिप के डिजाइनर के लिए एक विकल्प है। संक्षेप में, यह है कि तर्क एक एकल घड़ी चक्र में कितना काम करता है । अधिक जटिल तर्क धीमी अधिकतम घड़ी दरों में परिणाम करते हैं, लेकिन कम शक्ति का भी उपयोग करते हैं।

यही कारण है कि आप CPU की तुलना करने के लिए एक बेंचमार्क का उपयोग करना चाहते हैं। प्रति चक्र संख्या के कार्य बहुत भिन्न होते हैं, इसलिए कच्चे मेगाहर्ट्ज की तुलना करना आपको एक गलत विचार दे सकता है।

Answer 6

व्यावहारिक रूप से, यह निश्चित है कि थर्मल पावर जो वोल्टेज के वर्ग के लगभग आनुपातिक है: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_design_power#Overview हर सामग्री की अपनी विशिष्ट गर्मी क्षमता है जो शीतलन दक्षता को सीमित करती है।
कूलिंग और ट्रांसमिशन देरी पर तकनीकी मुद्दों पर विचार नहीं करते हुए, आप प्रकाश की गति को उस दूरी तक सीमित कर पाएंगे जो एक सिग्नल हमारे सीपीयू प्रति सेकंड में यात्रा कर सकता है। इसलिए, सीपीयू को जितनी तेजी से काम करना चाहिए, उसे उतने ही तेज़ होने चाहिए। अंत में, यह एक निश्चित आवृत्ति से परे चल रहा है, सीपीयू इलेक्ट्रॉनिक तरंग कार्यों के लिए पारदर्शी हो सकता है (Schroedinger के समीकरण के बाद तरंग कार्यों के रूप में तैयार किए गए इलेक्ट्रॉनों)।
2007 में कुछ भौतिकविदों ने परिचालन गति के लिए एक मौलिक सीमा को शांत किया:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.110502

Answer 7

अन्य सभी उत्तरों के साथ-साथ, कुछ अन्य विचार भी हैं जो सीपीयू की गति को सीधे प्रभावित नहीं कर सकते हैं, लेकिन उस सीपीयू के आसपास कुछ भी बनाना काफी मुश्किल है;

संक्षेप में, डीसी के ऊपर, रेडियो आवृत्ति एक मुद्दा बन जाता है। जितनी तेजी से आप जाते हैं, उतना ही अधिक सब कुछ एक विशाल रेडियो के रूप में कार्य करना है। इसका मतलब यह है कि पीसीबी के निशान क्रॉसस्टॉक, आसन्न पटरियों / ग्राउंड प्लेन, शोर, आदि आदि के साथ उनके अंतर्निहित समाई / अधिष्ठापन के प्रभाव को पीड़ित करते हैं।

जितनी तेज़ी से आप जाते हैं, यह सब उतना ही खराब हो जाता है - घटक पैर उदाहरण के लिए अस्वीकार्य प्रेरण का परिचय दे सकते हैं।

यदि आप कुछ DDR RAM के साथ रास्पबेरी पाई के स्तर के "बेसिक" पीसीबी के स्तर के लिए दिशानिर्देशों को देखते हैं, तो डेटा बस आदि के सभी निशान समान लंबाई के होने चाहिए, सही समाप्ति आदि हैं और वह है 1GHz के नीचे अच्छी तरह से चल रहा है।