Er was eens een tijd waarin de kloksnelheid van de CPU dramatisch steeg van jaar tot jaar. In de jaren 90 en begin 2000 ontwikkelden processors zich met ongelooflijke snelheden, waarbij ze binnen tien jaar opnamen maakten van 60 MHz Pentium-chips naar gigahertz-niveau processors.

Nu lijkt het erop dat zelfs high-end processors zijn gestopt met het verhogen van hun kloksnelheid. Toegewijde overklokkers kunnen het beste silicium tot ongeveer 9 GHz dwingen met koelsystemen voor vloeibare stikstof, maar voor de meeste gebruikers is 5 GHz een limiet die nog niet is verstreken.

Intel was ooit van plan om een ​​10-GHz-processor te bereiken, maar dat is nog steeds even buiten bereik als tien jaar geleden. Waarom is de kloksnelheid van de processor niet langer gestegen? Zal de kloksnelheid van de processor weer toenemen of is die tijd verstreken?

Waarom CPU kloksnelheid niet toeneemt: warmte en kracht

Zoals we weten uit de wet van Moore, krimpt de transistorgrootte regelmatig. Dit betekent dat er meer transistoren in een processor kunnen worden gepakt. Typisch betekent dit een grotere verwerkingskracht. Er is ook nog een andere factor in het spel, genaamd Dennard-schaal. Dit principe stelt dat de stroom die nodig is om transistors in een bepaald eenheidsvolume te laten werken constant blijft, zelfs als het aantal transistoren toeneemt.

We zijn echter begonnen de grenzen van Dennard-schaling te gaan tegenkomen, en sommigen zijn bezorgd dat de wet van Moore aan het vertragen is. Transistors zijn zo klein geworden dat de schaalverkleining van Dennard niet langer geldt. Transistors krimpen, maar de kracht die nodig is om ze uit te voeren neemt toe.

Thermische verliezen zijn ook een belangrijke factor in het ontwerp van chips. Door miljarden transistors op een chip te proppen en duizenden keren per seconde aan en uit te schakelen, krijg je een hoop warmte. Die hitte is dodelijk tot zeer nauwkeurig en snel silicium. Die warmte moet ergens naartoe en goede koeloplossingen en chipontwerpen zijn nodig om redelijke kloksnelheden te handhaven. Hoe meer transistors worden toegevoegd, hoe robuuster het koelsysteem moet zijn om de verhoogde warmte op te vangen.

Toename van kloksnelheden impliceert ook een spanningsverhoging, wat leidt tot een kubieke toename in energieverbruik voor de chip. Naarmate de kloksnelheid omhoog gaat, wordt meer warmte gegenereerd, waardoor krachtigere koeloplossingen nodig zijn. Voor het uitvoeren van die transistors en het verhogen van de kloksnelheid is meer spanning nodig, wat leidt tot een aanzienlijk hoger energieverbruik. Dus als we proberen de kloksnelheid te verhogen, zien we dat het warmte- en stroomverbruik dramatisch toeneemt. Uiteindelijk nemen de stroomvereisten en de voortplantingssnelheid van de warmteproductie toe.

Waarom CPU kloksnelheid niet toeneemt: transistorproblemen

Het ontwerp en de samenstelling van de transistor voorkomen ook de eenvoudige kopsnelheden die we ooit zagen. Hoewel transistors betrouwbaar kleiner worden (getuige hoe de procesgroottes in de loop van de tijd kleiner worden), werken ze niet sneller. Meestal zijn transistors sneller geworden omdat hun poorten (het deel dat beweegt als reactie op stroom) zijn uitgedund. Maar sinds Intels 45nm-proces is de transistorpoort ongeveer 0, 9 nm dik, of ongeveer de breedte van een enkel siliciumatoom. Hoewel verschillende transistormaterialen een snellere poortbediening mogelijk maken, is de gemakkelijke snelheidstoename die we ooit hadden waarschijnlijk verdwenen.

Transistorsnelheid is ook niet de enige factor in kloksnelheid meer. Tegenwoordig zijn ook de draden die de transistors verbinden een groot deel van de vergelijking. Naarmate transistoren kleiner worden, nemen ook de draden die ze verbinden. Hoe kleiner de draden, hoe groter de impedantie en hoe lager de stroom. Slimme routing kan de reistijd en de warmteproductie helpen verminderen, maar een dramatische snelheidsverhoging kan een wijziging van de natuurkundige wetten vereisen.

Conclusie: kunnen we niet beter doen?

Dat verklaart alleen maar waarom het ontwerpen van snellere chips moeilijk is. Maar deze problemen met chipontwerp waren eerder overwonnen, toch? Waarom kunnen ze niet opnieuw worden overwonnen met voldoende onderzoek en ontwikkeling?

Dankzij de beperkingen van de fysica en de huidige ontwerpen van transistormaterialen, is het verhogen van de kloksnelheid momenteel niet de beste manier om het rekenvermogen te vergroten. Tegenwoordig worden krachtiger verbeteringen aangebracht in multi-coreprocessorontwerpen. Als gevolg daarvan zien we chips zoals AMD's recente aanbod, met een dramatisch verhoogd aantal kernen. Software-ontwerp heeft deze trend nog niet ingehaald, maar het lijkt de hoofdrichting van het chipontwerp van vandaag te zijn.

Hogere kloksnelheden betekenen niet noodzakelijkerwijs snellere en betere computers. Computercapaciteit kan nog steeds toenemen, zelfs als de plateaus van de kloksnelheid van de processor. Trends in multi-core processing zullen zorgen voor meer verwerkingskracht bij dezelfde headlinesnelheden, vooral als software-parallellisatie verbetert.

Afbeelding credit: ourworldindata.org