CPU 클럭 속도가 해마다 급격하게 증가했던 때가 있었습니다. 90년대와 2000년대 초반에 프로세서는 놀라운 속도로 증가하여 10년 이내에 60MHz Pentium 칩에서 기가헤르츠 수준 프로세서로 발전했습니다.
이제 고급 프로세서조차도 클럭 속도를 높이는 것을 멈춘 것 같습니다. 전용 오버클러커는 액체 질소 냉각 시스템을 사용하여 최고의 실리콘을 약 9GHz까지 끌어올릴 수 있지만 대부분의 사용자에게 5GHz는 아직 통과되지 않은 한계입니다.
Intel은 한때 10GHz 프로세서에 도달할 계획이었지만 10년 전과 마찬가지로 오늘날에도 도달할 수 없습니다. 프로세서 클럭 속도가 증가를 멈춘 이유는 무엇입니까? 프로세서 클럭 속도가 다시 증가하기 시작합니까, 아니면 그 시간이 지났습니까?
CPU 클럭 속도가 증가하지 않는 이유:발열 및 전력
무어의 법칙에서 알 수 있듯이 트랜지스터 크기는 정기적으로 축소되고 있습니다. 이는 프로세서에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있음을 의미합니다. 일반적으로 이것은 더 큰 처리 능력을 의미합니다. Dennard scaling이라는 또 다른 요인이 있습니다. 이 원리는 트랜지스터의 수가 증가하더라도 특정 단위 부피에서 트랜지스터를 실행하는 데 필요한 전력이 일정하게 유지된다는 것입니다.
그러나 Dennard 스케일링의 한계에 부딪히기 시작했으며 일부에서는 무어의 법칙이 둔화되고 있다고 우려합니다. 트랜지스터가 너무 작아서 Dennard 스케일링이 더 이상 유지되지 않습니다. 트랜지스터는 줄어들지만 트랜지스터를 실행하는 데 필요한 전력은 증가합니다.
열 손실도 칩 설계의 주요 요소입니다. 칩에 수십억 개의 트랜지스터를 집어넣고 초당 수천 번 켜고 끄면 엄청난 열이 발생합니다. 그 열은 고정밀 및 고속 실리콘에 치명적입니다. 그 열은 어딘가로 가야 하며 적절한 클럭 속도를 유지하려면 적절한 냉각 솔루션과 칩 설계가 필요합니다. 더 많은 트랜지스터가 추가될수록 냉각 시스템은 증가된 열을 수용할 수 있도록 더 강력해야 합니다.
클록 속도의 증가는 또한 전압 증가를 의미하며, 이는 칩의 전력 소비를 세제곱으로 증가시킵니다. 따라서 클럭 속도가 증가하면 더 많은 열이 발생하므로 더 강력한 냉각 솔루션이 필요합니다. 이러한 트랜지스터를 실행하고 클록 속도를 높이려면 더 많은 전압이 필요하므로 전력 소비가 크게 증가합니다. 따라서 클럭 속도를 높이려고 하면 열과 전력 소비가 급격히 증가합니다. 결국 전력 요구 사항과 열 생산이 클록 속도를 능가합니다.
CPU 클럭 속도가 증가하지 않는 이유:트랜지스터 문제
트랜지스터 디자인과 구성은 또한 우리가 한 번 본 쉬운 헤드라인 클럭 속도를 방해합니다. 트랜지스터는 확실히 작아지고 있지만(시간이 지남에 따라 프로세스 크기가 줄어들고 있음) 더 빠르게 작동하지는 않습니다. 일반적으로 트랜지스터는 게이트(전류에 반응하여 움직이는 부분)가 얇아지기 때문에 더 빨라졌습니다. 그러나 Intel의 45nm 공정 이후 트랜지스터 게이트의 두께는 약 0.9nm 또는 단일 실리콘 원자의 너비입니다. 다른 트랜지스터 재료는 더 빠른 게이트 작동을 허용할 수 있지만, 한때 우리가 가졌던 쉬운 속도 증가는 아마도 사라졌을 것입니다.
트랜지스터 속도는 더 이상 클록 속도의 유일한 요소가 아닙니다. 오늘날 트랜지스터를 연결하는 와이어도 방정식의 큰 부분을 차지합니다. 트랜지스터가 줄어들면 트랜지스터를 연결하는 전선도 줄어듭니다. 와이어가 작을수록 임피던스는 커지고 전류는 낮아집니다. 스마트 라우팅은 이동 시간과 열 생성을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 급격한 속도 증가를 위해서는 물리 법칙의 변경이 필요할 수 있습니다.
결론:더 잘할 수 없을까요?
더 빠른 칩을 설계하는 것이 어려운 이유를 설명합니다. 그러나 이러한 칩 설계의 문제는 이전에 해결되었습니다. 그렇죠? 충분한 연구와 개발로 다시 극복하지 못하는 이유는 무엇입니까?
물리학의 한계와 현재 트랜지스터 재료 설계 덕분에 클럭 속도를 높이는 것이 현재 계산 능력을 높이는 최선의 방법은 아닙니다. 오늘날에는 멀티 코어 프로세서 설계로 인해 전력이 크게 향상되었습니다. 결과적으로 AMD의 최근 제품과 같은 칩이 있으며 코어 수가 크게 증가했습니다. 소프트웨어 디자인은 아직 이러한 추세를 따라가지 못했지만 오늘날 칩 디자인의 주요 방향인 것 같습니다.
더 빠른 클럭 속도가 반드시 더 빠르고 더 나은 컴퓨터를 의미하지는 않습니다. 프로세서 클럭 속도가 정체되더라도 컴퓨터 기능은 계속 증가할 수 있습니다. 멀티 코어 프로세싱의 추세는 특히 소프트웨어 병렬화가 향상됨에 따라 동일한 헤드라인 속도로 더 큰 프로세싱 파워를 제공할 것입니다.