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.
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.