چرا سرعت کلاک پردازنده ها ثابت مانده است؟

چرا سرعت کلاک پردازنده ها ثابت مانده است؟

از اواخر سال ۲۰۰۵ که پردازنده هایی با فرکانس ۴ گیگاهرتز معرفی شدند تا هم اکنون تغییر خاصی در سرعت کلاک پردازنده ها ایجاد نشده است. در این مقاله قصد داریم به بررسی دلایل مقاومت سازندگان در ساخت پردازنده هایی با سرعت کلاک بالاتر بپردازیم.


پردازنده و سرعت کلاک
مهمترین بخش پردازنده ترانزیستورهای آن است. ترانزیستورها قطعاتی الکترونیکی هستند که به عنوان کلیدهای ساخت دروازه های منطقی استفاده می شوند. ترانزیستورها بیشترین فعالیت را در پردازنده به عهده دارند و با هر نوع چیدمانی واحدهای متفاوتی را برای محاسبات و عملیات منطقی پیچیده به وجود می آورند.


سرعت انجام چنین عملیاتی به تعریفی ساده، توسط فرکانسی محدود شده که ترانزیستور در آن سرعت بین خاموش و روشن سوییچ می کند. در حالی که ترانزیستورها بلاک های دروازه های منطقی هستند، همچنین این فرکانس سوییچ سرعت انجام عملیات پردازنده را نیز محدود می کند.

با این توصیفات، اگر ما به پردازنده خود یک سیگنال ورودی در هر ثانیه بدهیم و پردازنده عملیات را بدون خطا روی آن به پایان برساند، می گوییم که کلاک پردازنده روی 1Hz ست شده است.


در واقع سرعت کلاک، گواهی نامه ای درباره پردازنده است که به ما می گوید به چه میزان دستورالعمل به پردازنده بدهیم تا همچنان عملیات بدون خطا انجام شود. به نگاهی دیگر پردازنده ای با توان 3GHz می تواند ۳ میلیارد عملیات را در یک ثانیه بدون خطا به انجام برساند. از همین رو برای انجام عملیات بیشتر به فرکانس سوییچ بالاتری نیاز است و متعاقبا در فرکانسی که به توان نهایی پردازنده نزدیکتر باشد گرمای بیشتری تولید خواهد شد.

اما چرا سرعت کلاک پردازنده ها در حال درجا زدن است؟
چرا اغلب پردازنده های امروزی روی فرکانس 3.7 GHz فعالیت می کنند؟ و چرا به نظر می رسد که بالاترین سرعت کلاکها نیازمند خنک سازی به کمک نیتروژن مایع هستند و روی 8.5GHz تا 9GHz متوقف شده اند؟


برای صحبت در این باره باید به تعداد ترانزیستورها بپردازیم و اینکه با افزایش شمار ترانزیستورها در پردازنده ها تقریبا سایز پردازنده ثابت مانده است که نشان از افزایش تراکم تراشه ها دارد

یک پردازنده Intel Pentium 4 در سال ۲۰۰۴ و تشکیل شده از ۱۷۰ میلیون ترانزیستور را در نظر بگیرید و سپس در سال ۲۰۱۳ پردازنده ای ۱۵ هسته ای از سری Ivy Bridge . تفاوت در عملکرد و سرعت آنها زیاد است اما اندازه ی پردازنده ی Ivy Bridge بسیار کوچکتر شده است. دلیل این کاهش انداازه اصلی ترین بخش سازنده پردازنده ها، یعنی ترانزیستور است. بر اساس تحقیقات مشخص شده است که به طور معمول هر ۱۴ ماه تا ۱۸ ماه تراکم ترانزیستورها توسط شرکت های سازنده دو برابر می شود.

علاوه بر موارد ذکر شده، موردی که باید به آن توجه داشت این است که در پردازنده های جدید میلیادرها ترانزیستور در یک فضای بسیار کوچک قرار گرفته اند و وقتی چندین میلیارد ترانزیستور، چندین میلیارد مرتبه در ثانیه خاموش و روشن می شوند گرمای زیادی تولید می شود. هرچه عمل سوییچ بین خاموش و روشن ترانزیستور سریعتر باشد گرمای بیشتری تولید می شود.

در صورت عدم انتقال حرارت ممکن است این قطعات آسیب دیده و یا از بین بروند. به این معنی که در صورت کارکرد پردازنده در سرعت کلاک پایینتر عمر این قطعه بالاتر خواهد بود.
اما چطور قدرت پردازش بیشتری از ترانزیستورهای بیشتری بگیریم بدون اینکه سرعت کلاک را افزایش دهیم؟ از طریق اپلیکیشن محاسبه چند هسته ای. مزیت بسیار مهم استفاده از چند هسته یا مالتی کور در این نکته است: با کاهش سرعت کلاک تا ۳۰ درصد، توان مصرفی تا ۳۵٪ کاهش پیدا می کند.

اگرچه توان محاسباتی نیز در این زمان ۳۰٪ کاهش پیدا می کند. اما وقتی دو هسته با ۷۰٪ سرعت کلاک اصلی در حال فعالیت هستند، توان محاسباتی ما ۱۴۰٪ افزایش می یابد در حالی که تنها ۷۰٪ انرژی از منبع تغذیه ی اصلی در حال استفاده است. برای رسیدن به این کارکرد نیاز به استفاده از هسته ها به صورت موازی است و باید به صورت کاملا هم زمان فعالیت کنند. با استفاده از پردازش موازی چه سخت افزاری و چه نرم افزاری امکان استفاده بهینه تر از توان محاسباتی پردازنده ها وجود دارد.

با توجه به موارد ذکر شده میدانیم که امکان افزایش توان پردازشی پردازنده ها با استفاده از اضافه شدن ترانزیستورهای بیشتر هست اما مشکل اصلی انتقال حرارتی است که توسط این ترانزیستورها ایجاد می شود. در این صورت راه حل اساسی برای این مساله ساخت ترانزیستورهایی با مصرف انرژی مناسب تر است که شرکتهای سازنده ی CPU و ترانزیستور در حال کار روی نسل های بعدی این دستگاهها هستند.