आवृत्ति क्यों नहीं बढ़ रही है?

कई लोग शायद याद करते हैं कि 90 और 2000 के दशक की शुरुआत में माइक्रोप्रोसेसर की घड़ी की गति कितनी तेज थी। दर्जनों मेगाहर्ट्ज़ तेजी से सैकड़ों में बढ़े, सैकड़ों मेगाहर्ट्ज़ ने लगभग तुरंत एक पूरे गीगाहर्ट्ज़ को रास्ता दे दिया, फिर शेयरों के साथ एक गीगाहर्ट्ज़, दो गीगाहर्ट्ज़, आदि।
लेकिन पिछले कुछ वर्षों में, आवृत्ति अब इतनी तेजी से नहीं बढ़ रही है। एक दर्जन गीगाहर्ट्ज़ से हम अब लगभग 5 साल पहले की तरह दूर हैं। तो पिछली गति कहां गायब हो गई? पहले की तरह "उठाने" से क्या रोकता है?

नीचे दिए गए पाठ का उद्देश्य उन लोगों से है जो अपरिचित या खराब तरीके से माइक्रोप्रोसेसर आर्किटेक्चर से परिचित हैं। प्रेमी पाठकों के लिए, उपयुक्त युरव पोस्ट की सिफारिश की जाती है।

हॉट गिगाहर्ट्ज़

एक राय है कि घड़ी की आवृत्ति में एक और वृद्धि निश्चित रूप से गर्मी उत्पादन में वृद्धि के साथ जुड़ी हुई है। यही है, ऐसा लगता है, कुछ भी नहीं सिर्फ सही दिशा में मुड़ने से रोकता है कुछ "चाकू स्विच" आवृत्ति को बढ़ाने के लिए जिम्मेदार है - और आवृत्ति बढ़ जाएगी। लेकिन प्रोसेसर इतना गर्म हो जाएगा कि वह पिघल जाएगा।

यह राय कई लोगों द्वारा समर्थित है जिनके पास कंप्यूटर प्रौद्योगिकी के साथ कुछ करना है। इसके अलावा, यह दो या अधिक समय में ओवरक्लॉकर , ओवरक्लॉकिंग प्रोसेसर की सफलता से पुष्टि की जाती है। मुख्य बात यह है कि एक अधिक शक्तिशाली शीतलन प्रणाली डालनी है।

हालांकि उल्लेख किया "सर्किट ब्रेकर" और संबंधित गर्मी रिलीज समस्या मौजूद है, यह गीगाहर्ट्ज़ के लिए लड़ाई का केवल एक हिस्सा है ...

मुख्य ब्रेक

विभिन्न माइक्रोप्रोसेसर आर्किटेक्चर में ओवरक्लॉकिंग की विभिन्न समस्याएं हो सकती हैं। निश्चितता के लिए, हम यहां सुपरस्क्लर आर्किटेक्चर के बारे में बात करेंगे। इनमें शामिल हैं, उदाहरण के लिए, x86 आर्किटेक्चर - इंटेल के घटनाक्रम के बीच सबसे लोकप्रिय।

घड़ी की आवृत्ति बढ़ाने से जुड़ी समस्याओं को समझने के लिए, आपको पहले यह निर्धारित करना होगा कि इसकी वृद्धि किस पर टिकी हुई है। आर्किटेक्चर विचार के विभिन्न स्तरों पर, आवृत्ति को सीमित करने वाले मापदंडों के विभिन्न सेट को प्रतिष्ठित किया जा सकता है। हालांकि, यह पता चला है कि एक स्तर है जिस पर केवल एक ही ऐसा पैरामीटर है। यही है, आप केवल एक ब्रेक का चयन कर सकते हैं, जिसे हर बार शिकार को तेज करने के लिए अतिरिक्त रूप से जारी किया जाना चाहिए।

कन्वेयर बेल्ट

मुख्य ब्रेक कन्वेयर स्तर पर है। कन्वेयर सुपरसेलकर वास्तुकला का दिल है। इसका सार इस तथ्य में निहित है कि प्रत्येक माइक्रोप्रोसेसर अनुदेश का निष्पादन चरणों में विभाजित है (देखें। चित्रा)।

समय में चरण एक दूसरे का अनुसरण करते हैं, और उनमें से प्रत्येक को एक अलग कंप्यूटिंग डिवाइस पर निष्पादित किया जाता है।

जैसे ही एक निश्चित चरण का निष्पादन पूरा हो जाता है, मुक्त कंप्यूटिंग डिवाइस एक समान चरण के निष्पादन में शामिल हो सकता है, लेकिन एक अलग निर्देश के।



आंकड़ा दिखाता है कि कैसे, समय टी 1 की अवधि में, पहले निर्देश के पहले चरण को पहले कंप्यूटिंग डिवाइस पर निष्पादित किया जाता है। अवधि टी 2 की शुरुआत तक, पहला चरण पहले ही पूरा हो चुका है, और इसलिए दूसरे उपकरण पर दूसरे चरण के निष्पादन के लिए आगे बढ़ना संभव है। पहले डिवाइस को मुक्त कर दिया गया है, और इसे दूसरे निर्देश के पहले चरण में दिया जा सकता है। और इसी तरह। समयावधि टी 4 में, चार निर्देशों के विभिन्न चरणों को एक साथ कन्वेयर पर निष्पादित किया जाएगा।

लेकिन यह सब आवृत्ति के साथ क्या करना है? यह पता चला है कि सबसे तत्काल। वास्तव में, विभिन्न चरण अवधि में भिन्न हो सकते हैं। एक ही समय में, एक ही निर्देश के विभिन्न चरणों को अलग-अलग उपायों में निष्पादित किया जाता है। माइक्रोप्रोसेसर की घड़ी चक्र (और इसके साथ आवृत्ति) की अवधि ऐसी होनी चाहिए कि सबसे लंबी अवस्था इसमें फिट हो। नीचे दी गई तस्वीर सबसे लंबे चरण 3 को दिखाती है।



यह सबसे लंबे समय तक मंच से एक हरा कम करने के लिए कोई मतलब नहीं है। तकनीकी रूप से, यह संभव है, लेकिन माइक्रोप्रोसेसर के वास्तविक त्वरण के लिए नेतृत्व नहीं करेगा।

मान लीजिए कि सबसे लंबे चरण को पूरा करने के लिए 500ps (picoseconds) लगते हैं। यह कार में 2 GHz की आवृत्ति के साथ चक्र का समय है। मान लीजिए कि अब हम बीट को दो गुना कम करना चाहते हैं - 250ps। बस ऐसे ही ... हम आवृत्ति के अलावा कुछ भी नहीं बदलने जा रहे हैं। इस तरह का कदम केवल इस तथ्य को जन्म देगा कि समस्याग्रस्त चरण को दो चक्रों में निष्पादित किया जाएगा, लेकिन समय में यह समान 500 पीएस होगा। इसके अलावा, डिजाइन की जटिलता काफी बढ़ जाएगी और प्रोसेसर की गर्मी लंपटता बढ़ जाएगी।

इस पर आपत्ति जताई जा सकती है कि छोटी धड़कन के कारण, छोटी अवस्थाएँ तेजी से "उड़ने" लगेंगी, जिसका अर्थ है कि गणना की औसत गति बढ़ जाएगी। हालाँकि, ऐसा नहीं है (आंकड़ा देखें)।



सबसे पहले, गणना वास्तव में तेज होती है। लेकिन पहले से ही चौथे उपाय से, तीसरे चरण और किसी भी बाद के चरणों में (हमारे उदाहरण में, केवल चौथा) झूलना शुरू हो जाएगा। यह इस तथ्य के कारण है कि तीसरा कंप्यूटिंग डिवाइस हर चक्र, लेकिन हर दो चक्रों में जारी नहीं किया जाएगा। हालांकि यह एक निर्देश के तीसरे चरण के कब्जे में है, एक अन्य अनुदेश के समान चरण को निष्पादित नहीं किया जा सकता है। इस प्रकार, 250 पीएस की घड़ी की लंबाई के साथ हमारा काल्पनिक प्रोसेसर प्रभावी रूप से 500 पीएस के एक घड़ी चक्र के साथ एक प्रोसेसर के रूप में काम करेगा, हालांकि औपचारिक रूप से इसकी आवृत्ति दोगुनी होगी।

छोटा, बेहतर

तो, कन्वेयर के दृष्टिकोण से, घड़ी की आवृत्ति को केवल एक ही तरीके से बढ़ाया जा सकता है - सबसे लंबे चरण की अवधि को कम करके। यदि सबसे लंबे चरण को छोटा करना संभव है, तो उस चरण के आकार को हरा कम करना संभव हो जाता है, जो कमी के बाद सबसे लंबा हो जाएगा। और हरा हरा, उच्च आवृत्ति।

आधुनिक तकनीक में, ऐसे कई तरीके नहीं हैं जिनसे आप किसी चरण के आकार को प्रभावित कर सकते हैं।

ऐसी विधियों में से एक अधिक उन्नत तकनीकी प्रक्रिया के लिए संक्रमण है। मोटे तौर पर, नैनोमीटर की संख्या में एक और कमी। प्रोसेसर के पुर्जे जितने बारीक होते हैं, उतनी ही तेजी से चलते हैं। यह इस तथ्य के कारण होता है कि इलेक्ट्रिक दालों द्वारा दूर की जाने वाली दूरियां कम हो जाती हैं, ट्रांजिस्टर का स्विचिंग समय कम हो जाता है, आदि यह मानकर सरल किया जा सकता है कि सब कुछ समान रूप से त्वरित है। सभी चरणों की अवधि, जिसमें सबसे लंबे समय तक शामिल हैं, लगभग समान रूप से कम हो जाते हैं। उसके बाद, आवृत्ति को उठाया जा सकता है।

यह बहुत सरल लगता है, लेकिन नैनोमीटर के पैमाने को नीचे ले जाना एक बहुत ही जटिल प्रक्रिया है। यह बहुत वर्तमान तकनीक के स्तर पर निर्भर करता है, और आप इस स्तर से आगे जाने की अनुमति नहीं दे सकते। हालांकि, माइक्रोप्रोसेसर निर्माता लगातार प्रक्रिया में सुधार कर रहे हैं, और इस वजह से आवृत्ति धीरे-धीरे रेंग रही है।

मरीज को काटें

आवृत्ति बढ़ाने का एक और तरीका यह है कि सबसे अधिक समस्याग्रस्त अवस्था को छोटे लोगों में काट दिया जाए। आखिरकार, एक बार निर्देश पहले ही मंच पर पीसने में कामयाब हो गए थे। और यह बार-बार संभव था। कटाई जारी क्यों नहीं है? उसके बाद, प्रोसेसर केवल तेजी से काम करेगा!

होगा। हालांकि, काटना बहुत मुश्किल है।

हम घरों के निर्माण के साथ एक सादृश्य देते हैं। मकानों को फर्श से अर्श तक बनाया जा रहा है। फर्श को निर्देशों के अनुरूप होने दें। हम मंच पर एक मंजिल के निर्माण को हरा देना चाहते हैं। शुरू करने के लिए, इसे दो चरणों में होने दें: वास्तविक निर्माण और सजावट। जबकि अंतिम निर्मित मंजिल पर परिष्करण होता है, कुछ भी नई मंजिल का निर्माण शुरू करने से रोकता है। मुख्य बात यह है कि दो अलग-अलग टीमें निर्माण और सजावट में लगी हुई हैं। सब ठीक लगने लगा है।

अब हम आगे जाना चाहते हैं और मौजूदा दो चरणों को पीसना चाहते हैं। उदाहरण के लिए, फिनिशिंग को वॉलपैपिंग और पेंटिंग छत में तोड़ा जा सकता है। इस अलगाव के साथ कोई समस्या नहीं है। चित्रकारों ने एक मंजिल को चित्रित करने के बाद, वे अगले तक जा सकते हैं, भले ही पिछले एक में अभी भी वॉलपेपर gluing हो।

निर्माण के बारे में क्या? मान लीजिए हम निर्माण को दीवार और फर्श बिछाने में तोड़ना चाहते हैं। ऐसा अलगाव किया जा सकता है, लेकिन इसमें कोई समझदारी नहीं होगी। एक मंजिल पर दीवारें खड़ी हो जाने के बाद, आप अगली मंजिल पर छत बनाने के लिए एक टीम नहीं भेज सकते। इस तथ्य के बावजूद कि हम औपचारिक रूप से निर्माण को दो चरणों में तोड़ने में कामयाब रहे, हम दीवारों और छत में विशेषज्ञता वाले व्यक्तिगत ब्रिगेड पर पूरी तरह से कब्जा करने में सक्षम नहीं थे। उनमें से केवल एक ही किसी भी समय काम करेगा!

माइक्रोप्रोसेसरों में एक ही समस्या है। ऐसे चरण हैं जो एक-दूसरे को निर्देश देते हैं। ऐसे चरणों को छोटे लोगों में तोड़ना बहुत मुश्किल है। इसके लिए प्रोसेसर आर्किटेक्चर में बहुत गंभीर बदलाव की आवश्यकता है। उसी तरह, एक घर की कई मंजिलों को एक साथ बनाने के लिए निर्माण में गंभीर परिवर्तनों की आवश्यकता होती है।

स्विच को चालू करें

तो हम क्या overclockers कर रहे हैं करने के लिए मिल गया। वे वोल्टेज बढ़ाते हैं जिस पर प्रोसेसर काम करता है। इसके कारण, ट्रांजिस्टर (प्रोसेसर बनाने वाले मुख्य तत्व) तेजी से स्विच करना शुरू करते हैं, और सभी चरणों की लंबाई कम या ज्यादा समान रूप से कम हो जाती है। आवृत्ति बढ़ाने का अवसर है।

बहुत आसान है! लेकिन गर्मी अपव्यय के साथ बड़ी समस्याएं हैं। सीधे शब्दों में कहें, प्रोसेसर द्वारा आवंटित बिजली इस प्रकार वर्णित है:
P ~ C _dyn * V ² * f
यहाँ C _dyn गतिशील क्षमता है, V वोल्टेज है, f प्रोसेसर आवृत्ति है।

इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप नहीं जानते कि गतिशील क्षमता क्या है। यहां मुख्य बात तनाव है। यह चुकता है! यह भयानक लग रहा है ...

वास्तव में, यह और भी बुरा है। जैसा कि मैंने कहा, ट्रांजिस्टर को तेजी से काम करने के लिए वोल्टेज की आवश्यकता होती है। एक ट्रांजिस्टर एक तरह का स्विच होता है। स्विच करने के लिए, उसे एक पर्याप्त शुल्क जमा करना होगा। इस तरह के संचय का समय वर्तमान के लिए आनुपातिक है: अब यह है, तेजी से चार्ज ट्रांजिस्टर में आता है। वर्तमान में, बदले में, वोल्टेज के लिए आनुपातिक है। इस प्रकार, ट्रांजिस्टर की प्रतिक्रिया गति वोल्टेज के समानुपाती होती है। अब इस तथ्य पर ध्यान दें कि हम ट्रांजिस्टर की प्रतिक्रिया की गति में वृद्धि के अनुपात में केवल प्रोसेसर आवृत्ति को बढ़ा सकते हैं। उपरोक्त संक्षेप, हमारे पास है:
f ~ V और P ~ C _dyn * V ³
आवृत्ति में एक रैखिक वृद्धि के साथ, क्यूबिक कानून के अनुसार गर्मी पीढ़ी बढ़ेगी! यदि आप आवृत्ति 2 गुना बढ़ाते हैं, तो प्रोसेसर से 8 गुना अधिक गर्मी निकालना आवश्यक होगा। अन्यथा, यह पिघल जाएगा।

जाहिर है, आवृत्ति बढ़ाने की यह विधि कम ऊर्जा दक्षता के कारण प्रोसेसर निर्माताओं के लिए बहुत उपयुक्त नहीं है, हालांकि इसका उपयोग चरम त्वरक द्वारा किया जाता है।

क्या वह सब है?

और वह सब है। खैर, या लगभग सब कुछ। किसी को याद हो सकता है कि वह बिना वोल्टेज बढ़ाए भी माइक्रोप्रोसेसर की घड़ी की आवृत्ति को थोड़ा बढ़ाने में सक्षम था।

यह संभव भी है, लेकिन बहुत सीमित सीमा तक। प्रोसेसर को निर्माता द्वारा बाहरी परिस्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है (जो चरण की लंबाई को प्रभावित करता है), इसलिए वे आवृत्ति में एक निश्चित मार्जिन के साथ निर्मित होते हैं। उदाहरण के लिए, सबसे लंबा चरण पूरे प्रोसेसर चक्र को नहीं ले सकता है, लेकिन, यह कहें कि, 95% चक्र। इसलिए आवृत्ति को थोड़ा बढ़ाने का अवसर।

वैसे, मैं किसी भी तरह से प्रोसेसर के स्वतंत्र ओवरक्लॉकिंग में संलग्न होने का आग्रह नहीं करता। हर कोई जो ऐसा करता है वह अपने जोखिम और जोखिम पर ऐसा करता है। अनुचित ओवरक्लॉकिंग न केवल आपके प्रोसेसर के लिए, बल्कि आपके लिए व्यक्तिगत रूप से खतरनाक है!

मैं यह भी ध्यान देता हूं कि वर्णित लोगों के अलावा, चरण की लंबाई को प्रभावित करने के अन्य तरीके भी हैं। लेकिन वे यहाँ प्रस्तुत की तुलना में बहुत कम महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए, तापमान में परिवर्तन एक पूरे के रूप में इलेक्ट्रॉनिक्स के संचालन को प्रभावित करता है। हालांकि, गंभीर प्रभाव केवल बहुत कम तापमान पर ही प्राप्त होते हैं।

सामान्य तौर पर, यह पता चला है कि आवृत्ति बढ़ाने के लिए लड़ना बहुत मुश्किल है ... फिर भी, इस लड़ाई को धीरे-धीरे छेड़ा जा रहा है, और आवृत्ति धीरे-धीरे रेंग रही है। इसी समय, किसी को दुखी होने की जरूरत नहीं है क्योंकि प्रक्रिया धीमी हो गई है। आखिरकार, मल्टीकोर जैसी चीज दिखाई दी। और क्या, संक्षेप में, हमारे लिए अंतर है, हमारे कंप्यूटर ने इस तथ्य के कारण तेजी से काम करना शुरू कर दिया कि इसकी आवृत्ति बढ़ गई, या क्योंकि कार्यों को समानांतर में निष्पादित किया जाना शुरू हुआ? इसके अलावा, दूसरे मामले में हमें अतिरिक्त सुविधाएँ और अधिक लचीलापन मिलता है ...