Почему не растет частота процессоров
Обновлено: 06.07.2024
Алексей, кремний зато дешёвый, технологичный (т.е. с ним легко работать на производстве - известны и доступны методы его очистки, выращивания кристаллов, обработки, хим.реактивы), при этом он не ядовитый, не агрессивен химически, работает при комнатной температуре, не боится влажности и даже выдерживает воду и другие жидкости и т.д. и т.п. В его развитие вложены десятилетия труда. Никакой другой материал пока не может его заменить. И не факт что сможет когда-нибудь.
Пока что решения ищутся в технологии - nanowire и nanosheet транзисторы, многоярусная компоновка, разделение на чиплеты.
В обозримой перспективе может быть удастся заставить работать графен. Есть и более экзотические варианты, известные нам полевые и биполярные транзисторы - не единственный способ создания управляемых ключей. Может быть решение придет из оптики. Или, скажем, есть варианты организовать рекуперацию, что бы выделяемая энергия снова использовалась, тогда общий нагрев станет меньше и частоты можно будет поднять.
Алексей, ты хочешь сказать что 5 нм в процессорах Эппл настоящие ?
Алексей, германий хуже справляется, он греется и у него сильнее утечки. Да еще и остывает с трудом. Его, как и другие материалы, возможно, используют для создания проводящих слоёв, но основа останется кремниевой.
Производства графена, пригодного для массового создания электроники, в данный момент нет. Даже, насколько я знаю, нет технологии как получить его много и хорошего качества. Уж не говоря что нет и наработанной технологии как из него делать собственно процессор.
Показать полностью.
Существуют буквально сотни проблем, которые решали производители кремния. Как сформировать изолирующий слой, что бы он хорошо прилегал к кремнию. Какие жидкости использовать для смывания масок. Как подключить металлические проводники к выводам кремниевых транзисторов (а там, вообще говоря, образуется нефиговое сопротивление). Всё это хуже, труднее, или вообще неизвестно как сделать для других материалов.
И да, просто к слову, жаба никого не душит. Производитель не за свой счёт это всё делает, а вкладывается в производство, что бы потом получить прибыль. Если вложение не отобъется и фирма разорится - на кой чёрт кому-то в это вкладываться? Или ты готов покупать процессоры по 40тыс долларов за штуку? Ну тогда ты себе и так можешь позволить большую частоту, на обычной технологии, с охлаждением жидким азотом.
Алексей, почему их не делают более большими по площади? Ведь больше места-больше транзисторов,верно?
Артем, а почему не делают? Делают. Threadripper от amd размером с ладонь, при этом в нем овердофига ядер (и транзисторов) и греется он еще хуже. Равно как и серверные Xeon и Epic огромные, с еще большим числом транзисторов и греются еще сильнее.
Показать полностью. Увеличение числа транзисторов не увеличивает частоту, скорее наоборот - к каждому из них нужно подвести питание, каждый греется, каждый требует соединений с другими транзисторами и эти соединения тоже греются. Плюс, помимо этого, так близко расположенные элементы, особенного проводящие слои, расположенные близко, дают друг на друга наводки. Транзисторы, работающие на частотах в много ГГц, вызывают скачки напряжений в цепях питания, что требует располагать множество кондесаторов и другие приёмы, от чего чип распухает еще сильнее и жрет еще больше.
Влияет и экономическая составляющая, если с одной пластины кремния будет выходить мало процессоров - производство станет дороже. А если еще учесть брак (а он всегда есть), то вообще. К примеру, если на одной пластине 200 будущих процессоров, то брак в 10 точках - это потеря всего 5% из них, а 190 - на продажу. А если на пластине всего 20 будущих процессоров - то потеря будет 50 процентов, да и на продажу останется не 190, а всего 10. Это, кстати, причина почему AMD не делает кристалл монолитным, а делает процессор из нескольких меньших кристаллов.
Сергей, на самом деле имеет отношение. Я выспался и готов рассказывать дальше: фирмы, производящие процессоры, давно уже следят за софтом. Те операции, которые востребованы, которые распространённый софт делает чаще - стараются ускорить аппаратно. Эт касается не только специальных расширений типа SSE, но и "обычных". Поэтому, да, если распространенный софт (операционные системы, офисные пакеты, рабочие программы, игры) часто используют какую-то операцию, то отвечающий за неё блок стараются улучшить в первую очередь, он получит и новую архитектуру, и больше транзисторов если надо. А менее востребованные операции могут быть даже замедлены, если это позволит сэкономить на количестве транзисторов, питании локального участка кристалла и тд
Звучит всё логично, да? Но появляется замкнутый круг, востребованные операции ускоряют аппаратно, значит их, как более быстрые начинают использовать в будущих весриях софта еще активнее и тд. В итоге победить может не самая математически эффективная версия процессора, и не самая логичная, и даже не та, которая могла бы быть лучше в будущем. Побеждает та версия, которая сложилась исторически.
Самым первым процессором от Intel можно считать 4004 — он вышел в 1971 году и имел частоту всего 740 кГц. Частоты тогда росли достаточно быстро — уже в 1989 году появился процессор i486 с частотой больше 100 МГц, а Pentium 3 в 2000 году взял планку в 1 ГГц. Но с того времени рост частоты резко замедлился: сейчас, в 2017 году, самые топовые решения от Intel имеют частоту всего около 4-4.5 ГГц, разгон позволяет взять 5 ГГц. То есть за 17 лет частоты выросли всего в 5 раз, когда с 1971 по 1989 год, за почти то же время, рост частоты составил два порядка.
Тепловыделение
Почему же рост так сильно замедлился? Самое банальное ограничение — это тепловыделение: в домашних условиях, без применения жидкого азота и прочих дорогих и ненадежных ухищрений, реально отвести от процессора 200-250 Вт.
Теперь же залезем немного в физику: Q
V 2 F, где Q это тепловыделение процессора, V — напряжение на нем, а F — его частота. Теперь нужно связать между собой частоту процессора и напряжение на нем. Процессор состоит из огромного числа транзисторов, которые по сути являются переключателями: для того, чтобы он переключился, нужно накопить определенный заряд, а его время накопления пропорционально току, который, в свою очередь, пропорционален напряжению. А вот частота процессора напрямую связана со временем скорости переключения транзистора, отсюда мы получаем, что F
V, и, подставляя это в пропорцию для Q, мы получаем, что Q
F 3 ! То есть, иными словами, если мы имеем процессор с частотой в 4 ГГц и тепловыделением около 100 Вт, при его разгоне до 8 ГГц от него нужно будет отвести аж 800 Вт тепла — сделать это можно только с помощью интенсивного охлаждения жидким азотом, и, разумеется, ни о каком домашнем использовании речи тут не идет.
Отсюда же кстати хорошо виден потолок в разгоне в виде 5 ГГц — при росте частоты на 25% мы получаем рост тепловыделения в 1.25 3 = 2 раза, то есть тепловыделение процессора будет порядка 200 Вт — почти предел в домашних условиях.
Оптимизация конвейера
Как видно, повышать частоты в лоб — плохая идея. Но может тогда имеет смысл заняться оптимизацией конвейера? Суть конвейера состоит в том, что исполнение каждой инструкции (операции) разбивается на несколько стадий, причем каждая стадия выполняется на отдельном вычислительном блоке процессора. Как только одна стадия была сделана — освободившийся блок может начать выполнять аналогичную стадию, но уже другой инструкции. В идеале это выглядит так:
То есть, как видно, к четвертому такту (отрезку времени) на конвейере будет выполняться одновременно уже 4 инструкции. Однако это — идеальный случай. Проблема в том, что каждая стадия выполняется за свое время, и так как размер такта всегда постоянен и привязывается к времени выполнения самой долгой стадии, то получается, что в какие-то моменты времени конвейер будет просто простаивать (красное — время простоя):
Тогда в голову приходит простая мысль — почему бы не привязать время такта к времени выполнения самой короткой стадии, и тогда более длинные будут просто дробиться на несколько тактов, и большая часть простоев уйдет. Увы — идея хорошая, но вот на деле это ничего не даст.
Разберем случай как на картинке выше: стадии 1, 3 и 4 одинаковые по длине и вдвое короче стадии 2. То есть время такта сократим вдвое — это же приведет к росту частоты процессора так же вдвое: к примеру, время выполнение 1 такта на процессоре с частотой 4 ГГц занимает 1/4 ГГц = 250 пс. Если мы уменьшим такт вдвое, до 125 пс, то мы получим частоту 1/125 пс = 8 ГГц. Однако на деле производительность процессора не возрастет — простои все так же будут, и в том же количестве:
Так что в итоге наш гипотетический процессор с длиной такта 125 пс не будет работать быстрее процессора с длиной такта 250 пс.
Уменьшение техпроцесса
Раз мы не можем никак ни уменьшить стадии, ни толком увеличить частоту, остается только одно — уменьшать сам размер процессора. Тут все просто — электрические импульсы распространяются с одной фиксированной скоростью (равной скорости света в вакууме), и если мы уменьшим расстояние, которое импульс должен пройти — мы уменьшим затраченное на это время, и соответственно увеличим количество операций, которое сможет сделать процессор за то же время. И тут нас опять же останавливает физика — уменьшать техпроцесс вечно нельзя, предел для кремниевого транзистора — несколько нанометров. И чем ближе мы к пределу, чем труднее производство — к примеру, техпроцесс в 14 нм Intel «взяла» с опозданием почти в 2 года (и то сначала вышли низкочастотные кристаллы для мобильной техники). С 10 нм все еще хуже — пока что такую планку взяли только некоторые ARM-процессоры, Intel и AMD от этого еще достаточно далеки.
Итог
Как видно, проблем увеличить частоту хотя бы еще вдвое — масса. Поэтому пока что производители остановились на нескольких гигагерцах, и стали расти «вширь» — уже давно никого не удивишь двухядерным процессором, совсем недавно AMD выпустила относительно дешевый пользовательский восьмиядерный CPU, а Intel через несколько дней должна представить аж двенадцатиядерные пользовательские процессоры! Однако и тут проблем хватает — далеко не все задачи можно распараллелить, но это, впрочем, уже материал для другой статьи.
Процессор компьютера обязан работать на полную мощность. В иных случаях пользователя могут ожидать неприятные сюрпризы с подвисаниями и торможением системы в моменты пиковой нагрузки. В рамках данной статьи мы рассмотрим причины, почему CPU не выкладывается на максимум.
Выясняем причину сниженной мощности
Существует до десятка предпосылок работы процессора на неполную мощность. Это могут быть аппаратные или программные причины, в том числе сбои, или же банальный простой процессора. Следует рассмотреть их все, начиная с самой тривиальной.
Причина 1: Отсутствие нагрузки
Прежде чем грешить на CPU и рассуждать, почему тот не работает на полную, следует посмотреть, есть ли ему нужда задействовать свою мощь в полном объёме. По умолчанию он не обязан использовать всю, даже номинальную частоту, если никакое приложение того не требует. Главный вычислительный элемент при этом «отдыхает» или же находится в режиме простоя, что сохраняет пользователя от чрезмерных трат электроэнергии, ЦПУ не греется лишний раз, чтобы не «мучить» систему охлаждения.
В той ситуации, когда ваш процессор не нагружен, то показатель его частоты может находиться на уровне номинальной заявленной производителем или даже ниже. Например, если процессор обладает базовой скоростью в 3,70 ГГц, это не помешает ему снизить её до 2,50 ГГц и меньше (до минимальных 800 МГц), при отсутствии надобности в более высоких частотах, например, когда CPU не загружен и на 5%.
Ничего страшного в пониженной частоте из-за простоя для системы нет. Компьютер сам возьмёт нужную мощность, когда та потребуется.
Причина 2: Аппаратная несовместимость
Если же процессор загружен под завязку, но непонятно, почему использует лишь часть своей вычислительной мощности, следует углубиться в настройки системы и подсистемы, будь то BIOS или UEFI.
Первым пунктом станет проверка совместимости вашей материнской платы с CPU. Обычно для этого хватит факта наличия или отсутствия вот такой надписи при загрузке компьютера: «Intel CPU uCode loading error». Именно она будет обозначать, что процессор несовместим с текущей версией BIOS материнской платы. Это не самый критичный сбой и при нём даже можно работать, однако, одним из последствий такой несовместимости может стать то, что процессор не работает на максимальной мощности.
Причина 3: Измененные опции BIOS
Сразу несколько параметров в БИОС могут стать виновниками работы компьютера не на всю мощность.
Пониженная тактовая частота
Возможно, причина недостаточной производительности кроется в выставленных в BIOS заниженных показателей CPU, из-за которых берутся не максимальные частоты. Войдите в БИОС и посмотрите на конфигурацию процессора и его ядер.
Если вы увидите, что настройки переведены в ручной режим, а где-то установлено лимитированным минимальное значение, будь то настройка по отдельным ядрам или всему ЦПУ, значит, именно в этом кроется причина отсутствия работы на полную мощность. Ориентируйтесь на названия типа «CPU Core Ratio» и «Core Ratio Limit» и найдите подобные строчки в своей подсистеме.
Кроме того, если процессор будет находиться под напряжением ниже рекомендуемого для него значения, CPU не сможет работать на высоких частотах. Скорее всего, этот показатель будет называться как-то вроде «CPU Core Voltage». Оба этих параметра в различных BIOS и UEFI можно проверить в одном окне.
Обратите внимание, что на значениях процессора выставляется не частота, а множитель, значение которого перемножается с показателем шины, и только тогда получается частота.
Отключённые ядра/режим многопоточности
Если же вас беспокоит то, что с одним приложением компьютер справляется, но несколько открытых окон заставляют ПК нещадно «тупить», вероятно, что-то не так с настройками ядер. Дело в том, что их тактовую частоту можно не только снизить, но и вовсе отключить функционирование всех ядер, кроме одного.
Не стоит забывать и о «Hyper-Threading», иным словом – многопоточности. Отключение этого режима процессора может вызвать значительное снижение производительности, особенно при параллельной работе с несколькими программами. В связи с этим стоит проверить одноимённую строку «Hyper-Threading», и узнать, какое число ядер является активным, то есть «Active Processor Cores».
Отключение возможности распараллеливания потоков и активность лишь нескольких ядер может быть причиной, почему ЦПУ работает не так быстро, как вам хотелось бы.
Отключённый Turbo Boost/Core
Выключенный режим «Turbo Boost» у CPU от Intel или «Turbo Core» у AMD не даст процессору достигнуть частоты выше базовой, что довольно обидно, когда вы приобретали модель с возможностью саморазгона, а компьютер работает максимум на номинальной вычислительной мощности. За этот режим ответственная одноимённая строчка или слегка переиначенная, типа «Turbo mode».
Причина 4: Пониженное электропотребление
-
С помощью функции поиска в меню «Пуск» найдите «Панель управления» и откройте данное приложение.
Если показатель будет ниже «100%», то процессор физически не сможет работать на полную мощность. Уже на «99%» режим «Turbo Boost» автоматически отключается и максимальная частота становится равной номинальной. Ну а если там указано всего «50%», процессор сможет работать лишь в половину своей мощности в лучшем случае.
В данной статье мы рассмотрели основные причины, почему процессор не работает на полную мощность. Это может быть и банальный простой CPU, исправляющийся самой нагрузкой, но вероятна и аппаратная несовместимость, при которой нужно обновить BIOS. При сбое параметров подсистемы можно просто сбросить настройки до исходных значений, при которых ЦПУ не должно ничего ограничивать.
Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.
Действия по устранению проблемы частоты процессора, работающая с Intel® Core™ базовой частотой процессора с буквой K или X в суффиксе линейки продукции.
Процессоры, работающие ниже базовой тактовой частоты, это может произойти после замены теплопроводяного материала (TIM).
Далее приведены некоторые способы, которые могут устранить проблему работы процессора ниже базовой частоты:
- Несоблюдение теплопроводякого материала может привести к неудачной работе процессора.
- Если вы удалили теплоодинитель для повторной установки теплоемкого тока, проконтверку следует еще раз после наносить тепло радиовлавод для должного контакта с процессором.
- Полностью удалите старый tim-материал перед тем, как наносить новый материал.
- Убедитесь в том, что вентиляторы имеют механизмы очистки и/или жидкостного охлаждения, а также радиатор очистить.
Вам нужна дополнительная помощь?
Оставьте отзыв
Отказ от ответственности
Содержание данной страницы представляет собой сочетание выполненного человеком и компьютерного перевода оригинального содержания на английском языке. Данная информация предоставляется для вашего удобства и в ознакомительных целях и не должна расцениваться как исключительная, либо безошибочная. При обнаружении каких-либо противоречий между версией данной страницы на английском языке и переводом, версия на английском языке будет иметь приоритет и контроль. Посмотреть английскую версию этой страницы.
Для работы технологий Intel может потребоваться специальное оборудование, ПО или активация услуг. // Ни один продукт или компонент не может обеспечить абсолютную защиту. // Ваши расходы и результаты могут отличаться. // Производительность зависит от вида использования, конфигурации и других факторов. // См. наши юридические уведомления и отказ от ответственности. // Корпорация Intel выступает за соблюдение прав человека и избегает причастности к их нарушению. См. Глобальные принципы защиты прав человека в корпорации Intel. Продукция и программное обеспечение Intel предназначены только для использования в приложениях, которые не приводят или не способствуют нарушению всемирно признанных прав человека.
Читайте также: