Warum ist die Prozessor-Taktfrequenz begrenzt geschlossen

[Autodidakt]

Hallo,

kann mir einer von den PC-Cracks hier die Frage beantworten warum die Prozessor-Taktfrequenz auf ca 4 GHz physikalisch begrenzt ist? Also warum ist es nicht möglich einen Prozessor mit .... sagen wir 8 GHz zu bauen?

Gruß Autodidakt

 

[flyingcrazy²]

Eine richtige Antwort kann ich dir nicht geben, aber es würde mich auch einmal interessieren.
Warum baut man auch nicht einfach so einen Prozessor von einem Svrver in einen Home-Pc?
Wäre doch viel praktischer? Oder an was liegt es? Stormverbrauch etc?

 

[Ralux]

Von begrenzt kann man nicht sprechen, allerdings steigt mit steigendem Takt die Stromaufnahme überproportional (da man für mehr Takt das Kernspannung immer mehr erhöhen muss) und damit auch die Verlustleistung und damit Wärmeabgabe...

Bei einem Q6600 z.b. (wie ich einen hab) braucht man für den Standardtakt von 2,4GHz etwa 1,20V Kernspannung, für 3GHz etwa 1,30V, für 3,6GHz schon etwa 1,5V, für 3,8GHz 1,6-1,7V (ist natürlich immer abhängig davon ob man ein gutes Modell erwischt)

Es ist durchaus möglich diverse Prozessoren mit 6,5GHz zu betreiben, allerdings mit Flüssigstickstoffkühlung - taugt also nur für Extremversuche was - einfach mal google fragen wenn euch das interessiert...

Irgendwann ist allerdings auch mit der besten Kühlung der Punkt x erreicht, wo es nicht mehr weitergeht, egal wie weit man noch versucht die Spannung zu erhöhen... Woran das genau liegt? weiß ich auch nicht
Vermutlich daran, dass wegen der hohen Spannung, die ja nötig ist um einen hohen Takt zu fahren Ströme überspringen zwischen nah beieinanderliegenden Leitern und damit Fehler entstehen... < da dürft ihr mich gerne korrigieren ^^

Es ist mittlerweile einfach besser die Anzahl der Kerne zu erhöhen statt den Takt, um mehr Rechenleitung zu erhalten, da man darüber mehr erreichen kann als über einen gesteigerten Takt - Deshalb wird es nurnoch schwach steigende Takte geben (wenn überhaupt) aber immer mehr Cores... wir sind bei 4, 6 und 8 sind schon in naher Zukunft zu haben und der nächste Schritt liegt bei 16 Kernen in nur einem Prozessor...

Man überlege sich nur mal, auf welchem Takt man einen P4 "Prescott" betreiben müsste um auch nur annähernd die Leistung von z.b. einem Q6600 zu erreichen... etwa 12GHz - und wieviel Strom würde der dabei verbrennen? hmm etwa 5kW würde ich tippen - realistisch is das sowieso nicht, da er sich innerhalb von einigen Sekunden selber grillen würde ^^

lg Ralux

 

[locutus]

der wichtigste punkt, warum man die core-clock nicht zu hoch treibt ist wirklich die wärmeentwicklung. denn desto schneller das ganze taktet, desto öfter müssen die transistoren im prozessor hin und herschalten. und bei jedem umschaltvorgang geht elektrische energie rein, die allerdings hauptsächlich als thermische energie wieder ausgegeben wird.
natürlich können heutige prozessoren schneller werden als ältere. das liegt aber vor allem daran, dass die prozessor-architektur immer kleiner wird, wir sind glaub ich schon bei 35nm od. so. desto kleiner die architektur wird, desto kleiner werden natürlich auch die bauteile, sprich, der transistor wird kleiner, und wenn der transistor kleiner wird, verbrät er auch weniger elektrische energie in thermische energie.
allerdings kann die prozessor-architektur nicht mehr stark schrumpfen, denn inzwischen sind wir in einem bereich (halt 35nm) in welchem wir schon von bauteilen (z.b. transistor) in der größenordnung von einem atom reden. und kleiner als ein atom können wir bei leibe nicht werden. bedeutet, wir können die strukturen nicht mehr viel weiter verkleinern, entsprechend nicht nennenswert den stromverbrauch minimieren und somit auch die thermische emision nicht verringern.
jetzt fragen sich vielleicht manche, wieso wir nicht schon vor 10 jahren so kleine strukturen hatten. nun, die technik, solche strukturen zu fertigen, war auch schon da. das problem ist, in dem kleinen bereich kommt es zu gewissen problemen, welche dazu führen, dass der prozessor selbst dann strom verbrät, wenn er nicht arbeitet. damals wusste man dieses problem noch nicht zu lösen, heutzutage stellt es kein problem mehr dar.

nun die andere frage, wieso man keine server-prozessoren in normalen pcs verbaut. nun, server-prozessoren sind zunächst mal teurer als normale. sie haben meist einen anderen sockel, bedeutet, man müsste auch ein server-mainboard verbauen.

 

[Autodidakt]

Es ist durchaus möglich diverse Prozessoren mit 6,5GHz zu betreiben, allerdings mit Flüssigstickstoffkühlung - taugt also nur für Extremversuche was - einfach mal google fragen wenn euch das interessiert...



lg Ralux

YouTube - Extreme Overclocking up to 5.25 GHz

Also ich habe jetzt einmal Stickstoffkühlung bei Youtube gegooglet..... die Differenz zwischen dem fast -200°C kalten Stickstoff und dem Chipset betrug 160°C .... also das Chipset war auf - 40°C runtergekühlt obwohl der Stickstoff auf dem Prozessor "stand" krass, kann ich da nur sagen!

Ach und danke für Deine Hilfe

 

[Ralux]

[...] denn inzwischen sind wir in einem bereich (halt 35nm) in welchem wir schon von bauteilen (z.b. transistor) in der größenordnung von einem atom reden. [...]

made my day xD - also von einem Atom sind wir noch weit entfernt und auch die Strukturen können noch ein gutes Stück schrumpfen - momentan sind wir bei 45nm (der Q6600 war noch 65nm) - für dieses Jahr ist die Einführung erster 32nm Prozessoren geplant, schon 2010 22nm...

Gerade nochmal Wikipedia konsultiert, ein Atomkern ist ca 0,00001nm groß, die Hülle darum allerdings bis zu 0,1nm ... also es ist durchaus noch Luft zur weiteren Verkleinerung da

 

[locutus]

ich will ja nichts sagen, aber deine angaben sind effektiv falsch. bis zu 1nm maximale hülle? naja, wikipedia.
ich hab grad mal meine formelsammlung aufgeschalgen. schöne tabelle. links eine auswahl an elementen, rechts der atomradius in nm. da steht z.b. für kupfer ein radius von 0.128nm. daraus folgt eine hülle mit einem durchmesser von 0.236nm. das ist schon mehr als doppelt so groß wie deine angabe. und selbst silizium liegt mit einem radius von 0.117 in einem bereich mehr als doppelt so groß wie deine angabe. eigentlich nur wasserstoff würde in deine aussage reinpassen. also das nächste mal solltest du genauer nachgucken und nicht solche wikipedia-werte nehmen. denn wikipedia ist mehr als wissenschaftlich inkorrekt.
und nun zum nächsten. in 22nm passen gerade mal 100 siliziumatome. mag deiner meinung nach viel klingen, aber ein transistor an sich braucht schon so einige atome. immerhin muss aus den atomen eine kristallstruktur gebildet werden, in dieses gitter müssen störungen eingebaut werden usw. ein transistor benötigt drei "phasen", zwei positive und eine negative. oder eine positive und zwei negative. je nachdem ob npn od. pnp. bedeutet, für eine phase bleiben nur noch etwa 33 atome übrig. und aus 33 atomen ein vernünftiges gitter bauen, in welches auch noch fremdatome in einer gewissen konzentration eingebracht werden müssen, ist schon eine herausforderung. glaub mir einfach, wenn ich dir sage, da geht nicht mehr viel mit verkleinerung und dass wir im bereich von atomen sind.

 

[Ralux]

0,1, nicht 1nm...

Und klar der ist bei unterschiedlichen Atomen unterschiedlich groß...

Dennoch sind 22nm definitiv möglich, sonst hätte Intel das nicht in seiner Prozessor Roadmap angekündigt... und in die 22nm werden auch mehr als 100 Siliziumatome passen, da sich die Hüllen ja überschneiden können - um welchen Faktor weiß ich nicht, allerdings geh ich mal davon aus, dass es etwa 40-50% Überschneidung geben kann und muss, da die Atome ja eine Bindung eingehen - Hilfe, wo ist der Experimentalphysiker hier?

lg

 

[locutus]

effektiv falsch. atome überschneiden sich in einer kristallstruktur nicht. mussten wir alles in werkstoffe et durchnehmen. kristallstruktur, verschiedene arten usw. und in einer kristallstruktur ordnen sich die atome nun einmal in einem gitter an. und dieses gitter hat als gitterkonstante mind. den atomdurchmesser. (wäre bei einem gitter, wo nur in den ecken atome sitzen, und atomdurchmesser daher, da die hüllen der atome in den ecken sich genau mittig treffen, radius plus radius, blah-blah. gibt aber auch strukturen, da ist die gitterkonstante größer. z.b. wenn in der mitte im gitter noch ein atom sitzt.

und deine maßangaben sind nach wie vor effektiv falsch. denn sie passen maximal auf ein wasserstoff-atom. ansonsten nur als radius. was aber im kontext total unsinnig wäre. und da du nichts anderes angegeben hast, ist davon auszugehen, dass du von durchmessern sprachst. und wenn du dir meine ausführungen genau durchgelesen hättest, dann hättest du auch erkannt, dass ich angedeutet habe, dass selbst bei 22nm schon probleme bestehen. nebenbei, 22nm /100 ergibt, oh wunder, 0.22nm. genau der durchmesser eines silizium-atomes. und in 100 atomen kannst du nun mal nicht viel realisieren und punkt. ist einfach so. ich deutete oben bereits an, wie ein transistor aufgebaut ist, und dass dadurch kristalle aus 3x33 atomen in 22 nm gebaut werden müssen für einen transistor und dass da schon extrem eng wird. desto weiter man runter geht, desto enger wirds natürlich. und 22nm reizt die grenzen auch schon extrem aus. und bei 100 atomen kann man sehr gut vom bereich der atome reden.

 

[muesli]

Mal abgesehen davon, locutus,
dass Du vom momentan herrschenden Wissenstand der Technik ausgehst, gelle
ist Deine Rechnung meines Wissens nach mir auch so plausibler

Aber nichts desto, ob wir nun an der Struktur schrauben
oder den Input erhöhen ...

Zur Zeit liegt ein wirtschaftlich vertretbarer Wirkungsgrad vom
Input Energie versus Output Leistung bzw. thermischer Energie als weiterer Verhinderer höherer Taktraten in relativ engen Grenzen.
Von dem Kostenaufwand entsprechend effektiverer Kühlsysteme mal ganz zu schweigen.

Von daher macht die Kopplung mehrerer Systeme momentan so einfach auch ökonomisch mehr Sinn,
auch, da die reine Prozessorleistung ja auch nicht das Nonplusultra darstellt.
Es gibt ja noch einige andere Flaschenhälse bei der Datenverarbeitung.

Von daher
vllt. -> das Präfix upgraden und ab in die Technikecke beamen

greetz
muesli

PS.
Wenn ich dabei dann noch an alte 286er und früher denke

 

[locutus]

Es gibt ja noch einige andere Flaschenhälse bei der Datenverarbeitung.

wenn ich mich den info-vorlesung recht entsinne, dann ist schon seit längerem der speicher der eigentliche flaschenhals. auch bei älteren prozessoren war das schon so. deshalb ja auch die ganzen tollen caches. ^^

 

[Ralux]

Okay, wenn du das sagst... allerdings wenn wir von 22nm Strukturen sprechen ist doch gemeint, dass der Durchmesser eines Transistors 22nm ist (und jede Phase etwa 7nm breit ist) oder?

Damit ist aber nicht gesagt, dass ein Transistor nur aus einer einzelnen Schicht von Atomen besteht... Stattdessen wird er sich doch auch etwas in die dritte Dimension erstrecken; Vielleicht nicht 33 Atome weit (wie er deiner meinung nach breit ist) aber 6-10 sollten realistisch sein und dann sprechen wir auch über 33*6 atome, die ein senkrechtes Gitter in jedem Abschnitt bilden oder nicht?

Datei:N-Kanal-MOSFET (Schema).svg ? Wikipedia

Dann hätten wir schon ein paar mehr Atome pro Fläche zur "Verfügung"

Hab dazu noch was Interessantes bei google gefunden; Da ich kA hab ich ich das hier verlinken darf: google nach "atomschichten bei feldeffekttransistoren" viertes Ergebnis, Seite 6

Naja bevor wir hier die anderen Leser langweilen sollten wir die Diskussion vielleicht doch lieber ins IRC vertagen morgen

lg

 

[locutus]

naja. die transistoren in einem prozessor sind aber keine mosfets. denn feldeffekt wäre auf so engem raum sehr negativ zu betrachten. und mosfets machen vor allem bei hohen strömen sinn. und auch sonst macht ein simpler transistor mehr sinn, da da weniger dran ist. und es stimmt schon, dass der transistor 3-dimensional auf dem weaver erzeugt wird, aber letzten endes kommt es auf die "dicke" der schichten an. und die ist und bleibt nun mal bei 33 atomen. die elektronen kommen von der einen seite an und wollen erst mal durch. wenn die schicht schmal genug wird, kann sie die elektronen nicht mehr aufhalten, bzw. nur noch sehr schwach einfluss nehmen. und da ist dann die höhe und breite jacke wie hose, also strunzegal.

wobei in deinem ergebnis von google (musst ich erst mal finden, dieser thread hat sich einfach so dadrüber geschoben, ist jetzt 5. ergebnis) mosfets durchaus sinnvoll erscheinen. aber selbst die, so steht es in deiner eigenen quelle, sind schon jetzt an einer grenze angelangt. die rede ist von strukturen um die 1.2nm. praktisch nur noch ein atom dick. gleichzeitig steht da auch, dass durch abnahme der dicke das ganze immer mehr elektronen durch lässt. gleiches hab ich oben bereits angedeutet. und im prozessor ist so ein tunneln gar nicht gut. denn je mehr elektronen tunneln, desto mehr "leck-ströme" hast du, und desto mehr strom verbraucht der cpu auch im leerlauf. gerade das ist eines der probleme was die entwicklung kleinerer strukturen schon seit jahren behindert. denn was nützt ein kleiner prozi, wenn der auch im leerlauf so viel verbraucht als wenn er heftigst rechnen würde?

du darfst dabei ja auch nicht vergessen, in einem prozessor sitzen mehr als nur ein paar transistoren. das sind ein paar millionen locker.
und wenn ein transistor da einem anderen irgend ein signal geben soll aber schon durch einen leckstrom dem anderen transistor ein high vortäuscht, dann hast ein problem.

 

[xxxdevilx]

zudem kommt hinzu, bei 22nm bekommt man schon probleme mit quantensprüngen, und wenn die zu oft auftreten, hilft die leistungsstärkste cpu acuh nich mehr ^^

MfG Devil

 

[Mr.Slate]

Thema mit Verweis verschoben nach 'Hardware-Probleme'.