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.