关键字:量子隧穿,在量子力学里,量子隧穿效应指的是,像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为,这是由于微观粒子的波动性引起的。通俗点讲,就是制程工艺到一定程度下,电路与电路之间的距离降低到一定程度就会出现量子隧穿效应,于是造成半导体的漏电率急剧上升,有太多的能量被浪费在充值电子运动上,自然不能发挥晶体管应该的性能。宏观上表现为处理器的发热量增加,但是性能却没有太大的变化。2003年的3.7Ghz到了2021年,CPU单核最高也就5.3GHz。
很多年以前, 电脑的世界有个叫CPU的小伙子。
他一出生就野心勃勃,梦想行走江湖,征服全世界。
CPU对内存和硬盘的嘲讽毫不理会,他继续前行。
有一天,他遇到了一个神秘人,送了他一本武林秘籍。
CPU非常高兴,千恩万谢之后,操练起来。
他孜孜不倦地练习,果然,如同秘籍中所说那样,每隔18个月,CPU的武功就会增长一倍。
他非常高兴,更加勤奋刻苦。
到了2004年,CPU小子就把自己的时钟频率已经练到了4G Hz左右。
这时候他遇到了一堵墙。
但是,他遇到一个可怕的事情:无论他怎么努力,再想提高一点儿频率都很难。
不认命的CPU还是倒下了……
当他醒来的时候,发现自己泡在一个大水池子中。
他被神秘人——摩尔——给救了。
摩尔对CPU的行为提出了严厉的批评!
从此以后,CPU不在执着于提高主频,而通过多核提高性能。
很快,他又遇到了一堵高墙,这一次,他该如何翻越呢?
CPU性能可以通过哪些参数来衡量,相信很多人最先想到的都是CPU频率,在架构工艺相同的情况下,CPU频率越高性能越强。记得在2003年之前,CPU的频率提升幅度都不算小,1981年的时候IBM电脑的CPU频率是4.77Mhz,到了1995年英特尔CPU频率达到了100Mhz,提升了20多倍。
2000年AMD的CPU频率领先Intel突破了1Ghz,这5年里面频率提升了10倍,随后2003年英特尔CPU频率达到了3.7Ghz,就3年的时间,频率又翻了几倍,而到了2021年,CPU单核最高也就5.3GHz了,相比过去那些年的CPU频率提升可以用缓慢来形容了。
为什么主频提不上去?
影响CPU频率的一个物理限制条件是,主频与信号在晶体管之间传输的延迟成反比,也就是说晶体管密度越大,时钟频率越高,而这也是在2003年以前CPU频率可以通过采用更先进的工艺来提升主频,而且提升的效果是特别明显的。
但是CPU的频率提升不是没有限制因素的,这个因素就是能耗发热问题,能耗过高会导致CPU发热过大,可能会导致CPU烧毁,而CPU的能耗和时钟频率三次方成近似正比关系,也就是说频率翻倍,能耗可能会达到之前的8倍。
之前对FX8350和FX9590的主频和功耗关系进行过相关计算,大致的验证一下能耗与频率提升的关系,因为FX9590就是FX8350的官方超频版本,同样的工艺架构,同样的核心数量,可以很好的观察频率和功率的关系,FX8350默认频率是4Ghz,FX9590默认频率是4.7Ghz。
FX9590的频率是FX8350频率的1.175倍,1.175的三次方是1.62,也就是说理论上来说FX9590能耗比FX8350要高62%,对二者的TDP进行对比,可以发现FX9590比FX8350要高76%(220除以125然后减去1),从这个结果来看,CPU的能耗和时钟频率的三次方成近似正比关系是成立的,总之可以肯定频率和能耗的提升关系不是线性的。
当然有人会说,既然能耗增加导致发热,那采用先进工艺不就可以缓解这个问题了,理论上来说是的,不过工艺越先进,热密度越来越高,更容易出现积热问题,就像7nm工艺虽然可以提供比14nm更低的能耗,但是7nm处理器的积热问题更严重,能耗虽然低不少,但是温度并不会比14nm的产品低,这也导致靠工艺提升来提升频率越来越困难。