Про быстродействие современных процессоров

[Tauon]

В современных процессорах для передачи информации используются металлические проводники в которых распространяется электромагнитное возмущение. Скорость его распространения в металле, естественно, меньше, чем скорость света в вакууме. Я находил такую оценку скорости: $1,5 \cdot 10^8$ м/с, т.е. в два раза меньше скорости света в вакууме. Так нельзя ли этот вакуум пристроить внутрь процессора вместо металлических проводников? Тем самым ведь увеличится быстродействие.

[svv]

(Оффтоп)

Пустота вычисляет сама себя. (Это не ирония, это поэтический образ.)

[Tauon]

svv, я, к сожалению, в поэзию никак, но могу добавить: на мой скромный взгляд, ведь нет прям неизбежной необходимости создавать электрический ток. Достаточно создать электромагнитное возмущение, которое будет "нести на себе" некоторую информацию, аналогично высокому/низкому напряжению для кодирования нуля и единицы. Или я ошибаюсь?

[Alex-Yu]

Tauon в сообщении #1231202 писал(а):

металлические проводники в которых распространяется электромагнитное возмущение.

Электромагнитное возмущение НЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ В проводнике. Это Вас кто-то обманул. На самом деле оно распространяется вблизи проводника (проводник только как бы "направляет" ЭМ поле вдоль себя). Если вокруг проводника вакуум, то скорость распространения такого возмущения равна скорости света. Но если вокруг проводника диэлектрик, то скорость меньше в корень из диэлектрической проницаемости раз.

Так что дело не в проводнике, а в диэлектрике, окружающем проводник. Можно, в принципе, заняться уменьшением проницаемости этого диэлектрика. Можно, но не нужно. Ибо быстродействие современных чипов в основном ограничено отнюдь не скоростью распространения сигналов. А проблемой отвода тепла.

[DimaM]

Alex-Yu в сообщении #1231207 писал(а):

Можно, в принципе, заняться уменьшением проницаемости этого диэлектрика.

Я читал, что проницаемость как раз стараются сделать побольше, чтоб конденсаторы при той же емкости были не слишком тонкими и не пробивались.

[photon]

Tauon в сообщении #1231202 писал(а):

В современных процессорах для передачи информации используются металлические проводники в которых распространяется электромагнитное возмущение. Скорость его распространения в металле, естественно, меньше, чем скорость света в вакууме.
...
Так нельзя ли этот вакуум пристроить внутрь процессора вместо металлических проводников? Тем самым ведь увеличится быстродействие.

Вы полагаете, скорость работы современных процессоров ограничена именно скоростью распространения электромагнитного импульса? Попытайтесь прикинуть, на какие расстояния идет передача данных внутри процессора и сколько это занимает времени.

[Tauon]

Alex-Yu в сообщении #1231207 писал(а):

Электромагнитное возмущение НЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ В проводнике. Это Вас кто-то обманул. На самом деле оно распространяется вблизи проводника (проводник только как бы "направляет" ЭМ поле вдоль себя). Если вокруг проводника вакуум, то скорость распространения такого возмущения равна скорости света. Но если вокруг проводника диэлектрик, то скорость меньше в корень из диэлектрической проницаемости раз.

Точно-точно. А я уже это забыл. А как Вы это сказали, я сразу вспомнил учителя физики, который говорил, что электромагнитное поле в проводнике отсутствует.

photon в сообщении #1231211 писал(а):

Попытайтесь прикинуть, на какие расстояния идет передача данных внутри процессора и сколько это занимает времени.

Ну да... Скорость света огромна. Даже за 1 нс свет успевает пройти 0,3 метра в вакууме.

Alex-Yu в сообщении #1231207 писал(а):

Ибо быстродействие современных чипов в основном ограничено отнюдь не скоростью распространения сигналов. А проблемой отвода тепла.

photon в сообщении #1231211 писал(а):

Вы полагаете, скорость работы современных процессоров ограничена именно скоростью распространения электромагнитного импульса?

Ага, в общем, я понял.

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #1231207 писал(а):

Электромагнитное возмущение НЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ В проводнике. Это Вас кто-то обманул. На самом деле оно распространяется вблизи проводника (проводник только как бы "направляет" ЭМ поле вдоль себя).

Там не всё так просто. Распространение ступеньки приводит к довольно сложной фигуре, сделанной из $\mathrm{erf},$ и имеет несколько характерных времён. Первое из них - да, обязано диэлектрической среде. А последнее - $RC$-параметрам длинной линии, если правильно помню. Так вот, как именно это фигура будет устроена, и какое из времён будет в итоге ответственно за переключение (переход порога), - зависит от параметров.

Tauon в сообщении #1231215 писал(а):

я сразу вспомнил учителя физики, который говорил, что электромагнитное поле в проводнике отсутствует.

Не совсем отсутствует, а то бы тока там совсем не было.

А на ваш первый вопрос: давно уже пытаются сделать оптоэлектронику.

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #1231234 писал(а):

А последнее - $RC$-параметрам длинной линии, если правильно помню.

Если линия согласована, то $R$ на скорость практически не влияет. Во всяком случае на не очень больших (по сравнению с характерной длиной затухания) длинах. В любом случае это совершенно второстепенный параметр в условиях, что в реальных чипах.

А вообще это тот вопрос, который еще Хевисайд разрешил (при подходящем соотношении между утечкой и продольным сопротивлением импульс не искажается ВООБЩЕ, в пределах применимости теории, основанной на телеграфных уравнениях, естественно).

[Dmitriy40]

Я бы так сказал что быстродействие именно процессоров (а не компьютера в целом) ограничивается вовсе не длинными линиями, а другими двумя моментами:
1. перезарядкой ёмкостей затворов транзисторов;
2. потребляемой (и рассеиваемой) мощностью.
Вторая разумеется зависит в том числе и от первой.

Для всех универсальных архитектур (и х86 особенно) добавляется неоптимальность системы команд, не позволяющая на типичных задачах полностью загрузить исполнительные устройства и порождающая множество обходных путей (векторные команды, многопоточность, спец.аппаратные блоки типа AES или CRC или видеокодеров).
Плюс лень программистов (факт! сам такой), не желающих переписывать программы под многопоточность, что не позволяет нарастить производительность увеличением количества исполнительных устройств (связка CPU+GPU эту проблему постепенно решает, но из-за кривости реализаций слишком уж неторопливо).

-- 03.07.2017, 16:47 --

Насчёт длинных линий, предлагаю не забывать к примеру про GDDR5X с их 10ГГц сигналами на расстояния в десяток сантиметров, а ведь на одном кристалле всё значительно проще. Так что частота - а тем более производительность! - процессоров ограничивается вовсе не этим.

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #1231236 писал(а):

В любом случае это совершенно второстепенный параметр в условиях, что в реальных чипах.

Вот не надо такой ерунды, пожалуйста. Это основной параметр, с которым борются в реальных чипах. Длина межсоединения.

Alex-Yu в сообщении #1231236 писал(а):

А вообще это тот вопрос, который еще Хевисайд разрешил (при подходящем соотношении между утечкой и продольным сопротивлением импульс не искажается ВООБЩЕ, в пределах применимости теории, основанной на телеграфных уравнениях, естественно).

В чипах не настолько важно, чтобы импульс не искажался (кроме аналогового тракта), насколько важно, чтобы не уменьшался по амплитуде. А для этого нужно, чтобы $RC$ было поменьше. Задержки есть перезарядки емкостей. Все СВЧ-стые замашки просто не относятся к делу.

Dmitriy40 в сообщении #1231255 писал(а):

не позволяющая на типичных задачах полностью загрузить исполнительные устройства

Зато это помогает мощность снизить :-)

[rockclimber]

Dmitriy40 в сообщении #1231255 писал(а):

Плюс лень программистов (факт! сам такой), не желающих переписывать программы под многопоточность

А что, таких программ много осталось? Большому количеству программ многопоточность не нужна совершенно, а кому нужна, давно вроде переписаны.

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #1231260 писал(а):

Вот не надо такой ерунды, пожалуйста. Это основной параметр, с которым борются в реальных чипах. Длина межсоединения.

Не надо передергивать. Речь была о том, что сопротивление соединительных проводников второстепенно. В реальном чипе их вообще можно считать идеальными проводниками. В отличие от сопротивления каналов транзисторов.

Перезарядка емкости здесь совсем ни при чем. Постоянная времени зарядки затвора определяется сопротивлением КАНАЛА транзистора, а никак не сопротивлением проводов. В общем не надо путать РАЗНЫЕ $R$. $R$ ПРОВОДОВ --- вещь абсолютно второстепенная. И "не надо лохматить бабушку", как говорил один известный юморист.

[wrest]

Dmitriy40 в сообщении #1231255 писал(а):

предлагаю не забывать к примеру про GDDR5X с их 10ГГц сигналами на расстояния в десяток сантиметров

А можно это немного раскрыть? Что именно меняется с этой частотой?
3 сантиметра длина волны, на печатной плате получается даже короче.

[Dmitriy40]

rockclimber в сообщении #1231261 писал(а):

А что, таких программ много осталось?

Думаю много. Кажется ещё далеко не все САПР используют GPU для ускорения счёта (вот многопоточность наверное уже используют). Игры, совсем современные не смотрел, но пару лет назад ещё выпускались однопоточные.

Alex-Yu в сообщении #1231263 писал(а):

Перезарядка емкости здесь совсем ни при чем.

Ещё как причём - 99.99% транзисторов работают на затворы соседних транзисторов. Разумеется сопротивление проводов практически не влияет по сравнению с сопротивлением каналов, но зато и то и другое сопротивления можно легко уменьшить конструктивными методами, а вот уменьшить ёмкость затвора - облом. Производительность же напрямую зависит от частоты переключений - т.е. от времени перезарядки ёмкости затворов.

-- 03.07.2017, 17:23 --

wrest в сообщении #1231265 писал(а):

А можно это немного раскрыть? Что именно меняется с этой частотой?

Состояние выводов шины данных. Причём замечу, шина данных тут не последовательная (для которой проблем с любой частотой меняться заметно меньше), а параллельная. На самом деле частота там может и не такая (скорее вдвое меньше ибо DDR же), но биты сменяют друг друга именно за время меньше 100пс (т.е. с периодом частоты 10ГГц).
Длина волны думаю роли вообще не играет, важнее время прохождения "ступеньки" напряжения.