Die CPU-Geschwindigkeit oder Taktfrequenz ist ein Faktor, der die Computerleistung bestimmt. Je höher die CPU-Geschwindigkeit, desto schneller kann der Computer Berechnungen durchführen und Programme ausführen. In den 1970er bis 2000er Jahren stiegen die CPU-Geschwindigkeiten drastisch von wenigen Megahertz (MHz) auf mehrere Gigahertz (GHz).
In den letzten zehn Jahren scheint sich der Anstieg der CPU-Geschwindigkeit jedoch zu verlangsamen und zwischen 3 und 5 GHz zu stagnieren. Woran liegt das? Was behindert die Entwicklung der CPU-Geschwindigkeit? Gibt es eine Höchstgrenze für die CPU-Geschwindigkeit?
Bardimin beantwortet diese Fragen, indem er einige Faktoren erläutert, die sich auf die CPU-Geschwindigkeit auswirken, und die Herausforderungen, mit denen Ingenieure und Wissenschaftler bei der Verbesserung der CPU-Geschwindigkeit konfrontiert sind.
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Faktoren, die die CPU-Geschwindigkeit beeinflussen
Die CPU-Geschwindigkeit kann auf zwei Arten gemessen werden, nämlich die Taktrate und die Instruktionen pro Zyklus (IPC). Die Taktrate ist die Anzahl der Zyklen, die eine CPU in einer Sekunde ausführen kann. Die Einheit, die zur Messung der Taktfrequenz verwendet wird, ist Hertz (Hz), was einem Zyklus pro Sekunde entspricht. Instruktionen pro Zyklus (IPC) sind die Anzahl der Instruktionen, die die CPU in einem Zyklus ausführen kann.
Anweisungen sind grundlegende Befehle, die von der CPU verstanden werden können, z. B. Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division usw. Die Anzahl der Befehle, die die CPU in einem einzigen Zyklus ausführen kann, hängt vom Design und der Architektur der CPU ab. Die CPU-Geschwindigkeit kann durch Multiplikation von Taktrate und IPC berechnet werden. Wenn die CPU beispielsweise eine Taktrate von 4 GHz und IPC 2 hat, dann beträgt die CPU-Geschwindigkeit 8 Milliarden Befehle pro Sekunde.
Zu den Faktoren, die sich auf die Taktrate und den IPC auswirken, gehören:
1. Transistorgröße
Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil, das als Schalter zur Steuerung des elektrischen Stromflusses fungiert. Transistoren können schnell die Form „Ein“ (leitender Strom) in „Aus“ (Stoppstrom) oder umgekehrt ändern. Transistoren werden verwendet, um Logikgatter zu bilden, bei denen es sich um Schaltkreise handelt, die logische Operationen ausführen können, z. B. AND, OR, NOT usw.
Logikgatter werden verwendet, um Schaltkreise zu bilden, d. h. Schaltkreise, die bestimmte Funktionen ausführen können, z. B. Addition, Subtraktion, Multiplikator usw. Schaltkreise werden verwendet, um Einheiten zu bilden, Teile der CPU, die bestimmte Aufgaben ausführen, z. B. Arithmetik, Logik, Steuerung, Speicher usw. Die Einheiten werden verwendet, um die CPU zu bilden. Transistoren sind also die Grundelemente der CPU.
Je kleiner die Transistorgröße, desto mehr Transistoren passen in die CPU. Je mehr Transistoren in eine CPU geladen werden, desto mehr Logikgatter, Schaltkreise und Einheiten können in der CPU erstellt werden. Je mehr Logikgatter, Schaltkreise und Einheiten in der CPU erstellt werden, desto höher ist der IPC, den die CPU erreichen kann.
Darüber hinaus gilt: Je kleiner die Transistorgröße, desto kürzer ist die Strecke, die der elektrische Strom in der CPU zurücklegen muss. Je kürzer die Strecke, die der elektrische Strom in der CPU zurücklegen muss, desto schneller kann die CPU von einem Zustand in einen anderen wechseln. Je schneller die CPU von einem Zustand in einen anderen wechseln kann, desto höher ist die Taktrate, die die CPU erreichen kann. Die Transistorgröße wirkt sich also positiv auf die CPU-Geschwindigkeit aus.
2. Spannung und Leistung
Die Spannung ist die Differenz des elektrischen Potentials zwischen zwei Punkten. Die Leistung ist die Rate der elektrischen Energie, die von einem Gerät verbraucht oder abgegeben wird. Spannung und Leistung stehen in engem Zusammenhang mit der CPU-Geschwindigkeit. Je höher die an die CPU angelegte Spannung ist, desto stärker fließt der elektrische Strom in der CPU.
Je stärker der elektrische Strom in der CPU fließt, desto schneller kann die CPU von einem Zustand in einen anderen wechseln. Je schneller die CPU von einem Zustand in einen anderen wechseln kann, desto höher ist die Taktrate, die die CPU erreichen kann. Die Spannung wirkt sich also positiv auf die CPU-Geschwindigkeit aus.
Die Spannung wirkt sich jedoch auch negativ auf die CPU-Geschwindigkeit aus. Je höher die an die CPU angelegte Spannung ist, desto höher ist der Stromverbrauch der CPU. Je höher der Stromverbrauch der CPU ist, desto größer ist die von der CPU erzeugte Wärme.
Je größer die von der CPU erzeugte Wärme ist, desto höher ist die Temperatur, die die CPU bewältigen muss. Je höher die Temperatur, der die CPU standhalten muss, desto größer ist das Risiko einer Beschädigung oder eines Ausfalls der CPU. Die Spannung wirkt sich also negativ auf die CPU-Geschwindigkeit aus.
3. Kühlung
Kühlung ist der Prozess, bei dem die Temperatur eines Objekts oder Systems gesenkt wird. Die Kühlung steht in engem Zusammenhang mit der CPU-Geschwindigkeit. Je besser die Kühlung der CPU ist, desto niedriger ist die Temperatur, die die CPU bewältigen muss.
Je niedriger die Temperatur ist, die die CPU bewältigen muss, desto geringer ist das Risiko einer Beschädigung oder eines Ausfalls der CPU. Je geringer das Risiko einer Beschädigung oder eines Ausfalls der CPU ist, desto höher ist die Taktrate, die die CPU erreichen kann. Die Kühlung wirkt sich also positiv auf die CPU-Geschwindigkeit aus.
Allerdings wirkt sich die Kühlung auch negativ auf die CPU-Geschwindigkeit aus. Je besser die CPU gekühlt wird, desto höher sind die Kosten für den Aufbau und Betrieb des Kühlsystems.
Je höher die Kosten für den Aufbau und Betrieb eines Kühlsystems sind, desto größer ist die Belastung, die CPU-Hersteller und -Verbraucher tragen müssen. Die Kühlung wirkt sich also negativ auf die CPU-Geschwindigkeit aus.
Herausforderungen bei der Erhöhung der CPU-Geschwindigkeit
Aus den Faktoren, die die CPU-Geschwindigkeit beeinflussen, geht hervor, dass es mehrere Herausforderungen gibt, mit denen Ingenieure und Wissenschaftler bei der Erhöhung der CPU-Geschwindigkeit konfrontiert sind. Zu diesen Herausforderungen gehören:
1. Physikalische Grenzen
Physikalische Grenzen sind Grenzen, die durch die Gesetze der Physik bestimmt werden. Die physikalischen Grenzen in Bezug auf die CPU-Geschwindigkeit sind Transistorgröße, Spannung und Wärme. Die Größe des Transistors kann nicht kontinuierlich reduziert werden, ohne Probleme zu verursachen. Ein Problem, das auftreten kann, ist das Quantentunneln, ein Phänomen, bei dem Elektronen Transistoren durchqueren können, ohne durch potenzielle Hindernisse behindert zu werden.
Quantentunneln kann dazu führen, dass Transistoren instabil werden und nicht mehr richtig funktionieren. Die kleinste Transistorgröße, die heute hergestellt werden kann, beträgt etwa 5 Nanometer (mm), und es wird geschätzt, dass die Größe des kleinsten Transistors, der in Zukunft hergestellt werden kann, etwa 1 nm beträgt. Die Transistorgröße hat also eine physikalische Grenze, die nicht überschritten werden kann.
Die Spannung kann auch nicht stufenlos erhöht werden, ohne dass es zu Problemen kommt. Ein Problem, das auftreten kann, ist die Überhitzung, ein Phänomen, bei dem die CPU-Temperatur zu hoch wird und die Toleranzgrenze überschreitet.
Eine Überhitzung kann dazu führen, dass die CPU beschädigt wird oder heruntergefahren wird. Die höchste tolerierbare CPU-Temperatur liegt heute bei etwa 100 °C, und es wird geschätzt, dass die höchste tolerierbare CPU-Temperatur in Zukunft bei etwa 200 °C liegen wird. Die Spannung hat also eine physikalische Grenze, die nicht überschritten werden kann.
Auch die Hitze kann nicht kontinuierlich reduziert werden, ohne Probleme zu verursachen. Ein Problem, das auftreten kann, ist eine Kühlgrenze, ein Phänomen, bei dem das Kühlsystem die CPU-Temperatur nicht unter die Umgebungstemperatur senken kann.
Kühlungsgrenzen können dazu führen, dass die CPU nicht optimal funktioniert. Die niedrigste Umgebungstemperatur, die heute erreicht werden kann, liegt bei etwa -273 °C, und es wird geschätzt, dass die niedrigste Umgebungstemperatur, die in Zukunft erreicht werden kann, bei etwa -273 °C liegt. Wärme hat also eine physikalische Grenze, die nicht überschritten werden kann.
2. Wirtschaftliche Grenzen
Wirtschaftliche Grenzen sind Grenzen, die durch Kosten und Nachfrage bestimmt werden. Die wirtschaftlichen Grenzen im Zusammenhang mit der CPU-Geschwindigkeit sind die Produktionskosten, die Betriebskosten und die Verbrauchskosten. Die Produktionskosten sind der Geldbetrag, der für die Herstellung einer CPU ausgegeben werden muss. Faktoren beeinflussen die Produktionskosten, wie z. B. Transistorgröße, Spannung und Kühlung.
Je kleiner die Transistorgröße, desto höher die Spannung und je besser die Kühlung, desto höher die Produktionskosten. Auch Faktoren wie Technologie, Rohstoffe, Arbeitskräfte und Wettbewerb beeinflussten die Produktionskosten. Je fortschrittlicher die Technologie, je knapper die Rohstoffe, je teurer die Arbeit und je härter der Wettbewerb, desto höher die Produktionskosten.
Die Betriebskosten sind der Geldbetrag, der für den Betrieb einer CPU ausgegeben werden muss. Faktoren wie Spannung, Leistung und Kühlung wirken sich auf die Betriebskosten aus. Je höher die Spannung, desto größer die Leistung und je besser die Kühlung, desto höher die Betriebskosten. Auch Faktoren wie Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit wirkten sich auf die Betriebskosten aus. Je geringer der Wirkungsgrad, desto geringer die Zuverlässigkeit und je geringer die Sicherheit, desto höher die Betriebskosten.
Die Verbrauchskosten sind der Geldbetrag, der für den Kauf einer CPU ausgegeben werden muss. Faktoren beeinflussen die Verbrauchskosten, wie z. B. Produktionskosten, Betriebskosten und Nachfrage. Je höher die Produktionskosten, desto höher die Betriebskosten, und je geringer die Nachfrage, desto höher die Verbrauchskosten. Auch Faktoren wie Qualität, Ausstattung und Marke beeinflussten die Kosten des Konsums. Je geringer die Qualität, desto weniger Funktionen und je weniger bekannt die Marke, desto geringer sind die Verbrauchskosten.
Von den drei Arten von Kosten ist zu erkennen, dass es einen Kompromiss zwischen CPU-Geschwindigkeit und Kosten gibt. Je höher die CPU-Geschwindigkeit, desto höher die Kosten. Je höher die anfallenden Kosten sind, desto geringer ist der Gewinn, der erzielt werden kann. Je geringer der Gewinn, der erzielt werden kann, desto geringer ist die Motivation, die CPU-Geschwindigkeit zu erhöhen. Die Kosten haben also eine wirtschaftliche Grenze, die nicht überschritten werden kann.
Alternative Lösungen zur Erhöhung der CPU-Geschwindigkeit
Aus den Herausforderungen, mit denen Ingenieure und Wissenschaftler bei der Erhöhung der CPU-Geschwindigkeit konfrontiert sind, geht hervor, dass mehrere alternative Lösungen zur Erhöhung der CPU-Geschwindigkeit durchgeführt werden können. Zu diesen alternativen Lösungen gehören:
1. Multi-Kern
Multi-Core ist eine CPU, die mehr als einen Kern oder Kern hat. Der Kern ist der Teil der CPU, der für die Durchführung von Berechnungen und das Ausführen von Programmen verantwortlich ist. Durch mehr als einen Kern kann die CPU mehr Berechnungen durchführen und mehr Programme gleichzeitig ausführen.
Dadurch kann die CPU-Geschwindigkeit erheblich erhöht werden. Multi-Core hat jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. Schwierigkeiten bei der Programmierung, erhöhter Stromverbrauch und verringerte Effizienz.
2. Paralleles Rechnen
Paralleles Rechnen ist eine Berechnungsmethode, die ein Problem in mehrere Teilprobleme aufteilt, die gleichzeitig von mehreren CPUs oder Computern gelöst werden können. Durch paralleles Rechnen kann ein Problem schneller und effizienter gelöst werden.
Paralleles Rechnen hat jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. Komplexität bei Design, Kommunikation und Synchronisierung sowie Einschränkungen bei der Skalierbarkeit, Portabilität und Sicherheit.
3. Quantencomputing
Quantencomputing ist eine Berechnungsmethode, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Berechnungen durchzuführen und Programme auszuführen. Durch den Einsatz von Quantencomputern können CPUs Berechnungen viel schneller und leistungsfähiger durchführen als herkömmliche CPUs.
Quantencomputer haben jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. Schwierigkeiten bei der Herstellung, dem Betrieb und der Wartung sowie Einschränkungen bei Kompatibilität, Stabilität und Zuverlässigkeit.
Schlussfolgerung
Die CPU-Geschwindigkeit ist einer der Faktoren, die die Computerleistung bestimmen. Die CPU-Geschwindigkeit kann auf zwei Arten gemessen werden, nämlich die Taktrate und die Instruktionen pro Zyklus (IPC). Die CPU-Geschwindigkeit kann durch Multiplikation von Taktrate und IPC berechnet werden. Zu den Faktoren, die sich auf die CPU-Geschwindigkeit auswirken, gehören Transistorgröße, Spannung, Leistung und Kühlung.
Zu den Herausforderungen, denen sich Ingenieure und Wissenschaftler bei der Erhöhung der CPU-Geschwindigkeit gegenübersehen, gehören physikalische und wirtschaftliche Grenzen. Alternative Lösungen, mit denen die CPU-Geschwindigkeit erhöht werden kann, sind Multi-Core-, paralleles Computing und Quantencomputing.
Wenn wir die Faktoren, Herausforderungen und Lösungen im Zusammenhang mit der CPU-Geschwindigkeit kennen, können wir verstehen, warum die CPU-Geschwindigkeit nicht mehr so stark zunimmt wie früher und was wir in Zukunft erwarten können.