CPU速度已经违反了摩尔定律吗?


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我记得1995年左右某个时候有一台CPU速度为75 MHz的计算机。

然后几年后的1997年左右,频率为211 MHz。

几年后,在2000年左右的频率约为1.8 GHz,然后在2003年左右的频率约为3 GHz。

现在将近8年后,它们仍达到3 GHz的最高频率。这是因为摩尔定律吗?

Answers:


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首先,请记住,摩尔定律不是法律,而只是观察。而且这与速度无关,反正也不直接。

最初只是观察到,每个[时间段]的组件密度几乎翻倍,就是这样,与速度无关。
副作用是,它有效地使事情变得更快(同一芯片上有更多东西,距离更近)和更便宜(所需的芯片更少,每个硅晶片上的芯片更多)。

虽然有限制。随着芯片设计遵循摩尔定律并且组件变得更小,出现了新的效果。随着组件变小,相对于它们的尺寸,它们将获得更大的表面积,并且电流会泄漏出去,因此您需要向芯片中注入更多的电流。最终,您失去了足够的汁液,使芯片变热,浪费了更多的电流。

尽管我不确定,但这可能是当前的速度限制,因为组件太小,很难使电子稳定。有新材料可以帮助解决这些问题,但是在出现一些新材料(金刚石,石墨烯)之前,我们将接近原始的MHz速度限制。

也就是说,CPU MHz不是计算机速度,就像马力不是汽车的速度一样。有很多方法可以使事情更快,而没有更快的最高MHz数。

后期编辑

摩尔定律始终涉及一个过程,即您可以在某个规则的重复时间范围内将芯片上的密度提高一倍。现在看来20纳米以下制程可能会停滞不前。新内存的运送过程与旧内存相同。是的,这仅是一点,但可能预示着未来。

ANOTHER LATE编辑Ars Technica的文章所有,但它宣告死亡。玩了50年很开心。


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非常重要的一点是,例如3GHz i7比3GHz P4快几个数量级-时钟速度可能会快得多,它们只会产生更多的热量,而增加额外的内核会有更多的不同。
Phoshi 2010年

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“摩尔定律不是定律,这只是一个观察”从技术上讲,这就是任何定律:只是观察(例如开普勒的观察,即一条连接行星和太阳的线在相等的时间间隔内扫出了相等的区域;他没有。不知道为什么行星这样做了,他只是观察到它们这样做了。在物理学中,这个词的使用更为广泛(倾向于表示:不可侵犯)。

最后一点非常好,似乎CPU速度停滞了其他领域(即磁盘速度),这使得今天的计算机比几年前的计算机要好得多
Doug T.

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@doug T; CPU速度/没有/停滞。查找兆赫兹神话。时钟速度并没有提高,但是每个时钟周期中的处理器“处理”了多少,如果可以,某些处理器(例如i7)对将时钟速度提高1-1.5 GHz感到非常满意。带走热量并供电。如果单个线程的需求比其他任何东西都要多,它们也会加快速度。仅由于热量输出,提高时钟速度已不再具有成本效益。
Phoshi 2010年

1
摩尔实际上在他的原始论文中没有提到晶体管的尺寸或密度。他在谈论晶体管/封装。他在观察产量(优质晶体管的百分比)与封装成本之间的关系。大约从1965年到1975年发生的倍增实际上是由于更大的筹码造成的。由于更大的芯片或3D堆叠,可能会剩余一些晶体管/封装。
Wandering Logic

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晶体管的密度受到沟槽,栅极等尺寸的限制。当前的技术正在以厚度仅为几个原子的氧化物来构建栅极。一旦达到约3-4个原子厚度的栅极氧化物,就很难知道下一步该怎么做。
quick_now 2010年

@quickly_now ...停止使用盖茨?毫无疑问,一旦价格便宜,固态将提供更多的可能性。
匿名类型

@quickly_now:进入纳米技术,一旦发生奇点,请迅速进入量子技术难以想象的领域!
paradroid

哈哈哈...物理定律规定了一些限制。但是,操作频率是另一回事……
quick_now 2010年

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时钟速度越快,产生相干信号所需的电压降就越大。电压需要升高的峰值越大,所需的功率就越大。所需的功率越多,芯片散发出的热量就越大。这会使芯片降级更快,并使它们变慢。

在某个时候,再也不应该再增加时钟速度了,因为温度升高的幅度超过了增加另一个内核的幅度。这就是为什么内核数量增加的原因。

通过添加更多的磁芯,热量线性上升。也就是说,时钟速度和功耗之间存在恒定的比率。通过使磁芯更快,热量和时钟周期之间存在二次关系。当两个比率相等时,就该获得另一个核心。

这与摩尔定律无关,但是由于问题在于时钟周期数,而不是晶体管数,因此这种解释似乎更恰当。应该指出的是,摩尔定律确实给了它自己的局限性。

编辑:更多的晶体管意味着每个时钟周期完成更多的工作。这恰好是一个非常重要的指标,有时会被忽略(2Ghz CPU的性能可能超过3Ghz CPU),这是当今的主要创新领域。因此,即使时钟速度一直保持稳定,从某种意义上说,它们可以在单位时间内完成更多工作的情况下,它们却变得越来越快。

编辑2: 是一个有趣的链接,其中包含有关相关主题的更多信息。您可能会发现这很有帮助。

编辑3:与总时钟周期数(内核数*每个内核的时钟周期)无关的是并行性问题。如果程序无法并行化其指令,那么拥有更多内核的事实就没有任何意义。一次只能使用一个。这曾经是一个比今天更大的问题。如今,大多数语言对并行性的支持远超过以往,并且有一些语言(主要是函数式编程语言)已使它成为该语言的核心部分(请参见ErlangAdaGo作为示例)。


+1-这是连接密度+速度+热=摩尔定律的问题的答案。
SChepurin

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摩尔定律预测,晶体管的数量每18个月将增加一倍。过去,这意味着时钟速度可能翻倍。一旦达到3 GHz,硬件制造商就意识到他们正在应对光速限制。

还记得光速是299,792,458米/秒吗?这意味着在3GHz的机器上,每个时钟周期光将传播约三分之一米。那是光在空中传播。考虑到电会比这慢,并且栅极和晶体管甚至会慢,而且在那么多的时间内您将无能为力。结果,时钟速度实际上下降了一点,而是硬件转向了多个内核。

赫伯·萨特(Herb Sutter)在其2005年的“免费午餐结束”中谈到了这一点:

http://www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.htm


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c / 3GHz = 9.993cm google.com/search?q=(299792458m/s)/(3e9/s)=-考虑quickly_now到的评论,信号每3GHz的时钟滴答传播大约6cm。那不是很远。
tylerl 2010年

1
硅在大约500GHz处消失。碳纳米管的> 4THz。它的耗散性和互连性限制了当今的芯片。我们还有很长的路要走。
tyblu 2010年

2
@tyblu-光在4THz时钟滴答声中传播75微米。您怎么可能期望制作任何有用的电路超出了我。
tylerl

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@tylerl,我不知道,但是我希望我们的孩子能弄清楚!;)
tyblu 2010年

1
@tylerl,目前的晶体管大约为0.3微米,因此75微米可以使大约250个晶体管中的信号通过,我想我认为这很有用。
Hydaral

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硅基芯片在真正开始熔化之前,通常的时钟限制为5 GHz左右。有人在研究使用砷化镓(GaAs),它可以使芯片具有更高的时钟频率,例如高达数百GHz的频率,但是我不确定它能达到多远。

但是摩尔定律与芯片上的晶体管有关,而与性能或时钟速度无关。在这方面,我想您可以说,通过分支到仍在同一芯片上的多个处理内核,我们仍然与摩尔定律保持一致。

根据Wikipedia上有关摩尔定律的文章,预计它将持续到2015年。

如果您想知道以相同的时钟速度拥有更快的处理器的另一种方式,则还与每个时钟脉冲可以执行的指令数量有关。这些年来,这个数字一直稳定增长。

每秒指令的时间线是每个时钟周期的指令数量的良好图表。


+1表示内核正在增加,而不是增加千兆赫兹
Matthew Lock

希望他们能够获得RAM来赶上100GHz CPU速度...
LawrenceC

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我不是EE或物理学专家,但自1981年以来,我大约每三到四年就购买一次计算机(81年来,我先买了我的Sinclair ZX81,三年后购买了Commadore 64,确实是玩具,然后才是我的第一台IBM。克隆(1987年),因此我有30年的“现场数据”。

即使使用我在87年的第一个IBM克隆作为起点(具有640k RAM和32MB硬盘),通过每18个月将所有内容乘以2,我今天得到10GB RAM和1TB硬盘。该死的!与今天我的桌子相比,RAM太多了,而HD却少了一些。

考虑到该“法律”显然是对计算机功能在未来呈指数级增长的普遍期望,因此坦率地说,在过去的三十年中,它的精确性使我感到震惊。如果只说“民用太空旅行”,“个人机器人”和“悬停汽车”,则呈指数级增长。可怜。

但是从严格的用户角度来看,摩尔定律似乎很快就保持了。


主持人总结了多个答案:

尽管摩尔定律明确地处理了微芯片中的晶体管数量,但这只是在以指数速度发展的更大得多的技术世界中的一个单一基准。

要挂掉时钟速度,这是不对的。只需查看PassMark CPU基准测试:http : //www.cpubenchmark.net/high_end_cpus.html,即可看到计算机每天都变得越来越强大。

芯片上晶体管的数量仅仅是增强当今计算机功能的一个组成部分。

尽管我既不是摩尔也不是他不认识他,但我想从更广泛的意义上来说,他的定律是一种尝试来预测计算能力的指数增长。他选择“芯片上的晶体管数量”作为混凝土和最重要的可量化标准,而不是更为“模糊且难以证明”的断言,即“计算机能力将每两年翻一番”。为了证明他的理论,显然需要一些易于测量的标准。但是我在这里会不知所措,建议他预测计算机的各个方面都有一个更大的趋势。


它并不完全准确,也部分地是一种自我实现的预言,因为它经常听到英特尔和其他公司积极追求。我当然知道这不可能是他们唯一的考虑。关于“权力”,尽管他们肯定会破坏它,因为如今至少要花5年的时间才能使同一笔钱的表现“翻倍”。10多年前,回溯大约一年。
13年

1

我们仍然可以使处理器与硅一起运行得更快(但不会更快),但此时,仅使处理器(或其内核)更小,然后将其填充到裸片上更便宜/更高效。就晶体管开关速度而言,较新的材料(例如石墨烯)会将硅从水中吹出,但我们尚未掌握制造过程。请耐心等待,可能会比以后更快。

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