เหตุใดผู้ผลิตซีพียูจึงหยุดเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์ [ปิด]

ฉันได้อ่านแล้วว่าผู้ผลิตหยุดให้ความสำคัญกับความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นและตอนนี้กำลังทำงานกับสิ่งอื่น ๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ

กับ

• เครื่องเดสก์ท็อปเก่าที่ใช้โปรเซสเซอร์Intel®Xeon® E3110 พร้อมความเร็วสัญญาณนาฬิกา 3.0GHz
• และเซิร์ฟเวอร์ใหม่ที่มีโปรเซสเซอร์ AMD Opteron (TM) 6272 ที่มีความเร็วสัญญาณนาฬิกา 2.1GHz

เมื่อทำการเปรียบเทียบการเข้ารหัสอย่างง่ายโดยใช้ (เธรดเดียว)

 openssl aes256c

เดสก์ท็อปทำงานได้ดีกว่าเซิร์ฟเวอร์

ดังนั้นด้วยการปรับให้เหมาะสมล่าสุดทำไมโปรเซสเซอร์ที่มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ดีกว่าจึงทำงานได้ดีกว่า

เหตุผลที่ผู้ผลิตหยุดให้ความสำคัญกับการเพิ่มความเร็วสัญญาณนาฬิกาเป็นเพราะเราไม่สามารถทำให้โปรเซสเซอร์เย็นลงได้เร็วพอที่จะทำให้สิ่งนี้ทำงานได้ ยิ่งความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงเท่าไหร่ความร้อนก็ถูกสร้างขึ้นมากขึ้นและตอนนี้เราเข้าสู่ขั้นตอนที่ไม่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความเร็วตัวประมวลผลอีกต่อไปเนื่องจากปริมาณพลังงานที่เข้าสู่การระบายความร้อน

คำตอบอื่น ๆ มีรายละเอียดเกี่ยวกับความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นนั้นไม่ได้หมายถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในทุกพื้นที่

มีความเร็วในการประมวลผลมากกว่าอัตรานาฬิกามากขึ้น

• ซีพียูที่แตกต่างกันสามารถทำจำนวนเงินที่แตกต่างกันในจำนวนรอบสัญญาณนาฬิกาที่เท่ากันเนื่องจากตัวแปรที่แตกต่างกันในการจัดเรียงไพพ์ไลน์และมีหลายองค์ประกอบหน่วย (ส่วนเสริมและอื่น ๆ ) ในแต่ละแกน ในการทดสอบของคุณไม่ใช่กรณีนี้คุณมักจะพบชิปที่ "ช้าลง" สามารถทำได้มากกว่าชิปที่รวดเร็ว (วัดจากอัตรานาฬิกาเท่านั้น) เนื่องจากสามารถทำได้มากกว่าหนึ่งขีด

• การทดสอบที่คุณทำอาจมีความไวสูงต่อความแตกต่างของสถาปัตยกรรม CPU: สามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับสถาปัตยกรรมเฉพาะคุณอาจพบว่าประสิทธิภาพนั้นแตกต่างกันไม่เพียง แต่ระหว่างชิป Intel และ AMD เท่านั้น แต่ระหว่างชิป Intel (หรือ AMD) ของตระกูลต่างๆ มีโอกาสที่จะใช้เธรดเดียวเช่นกันดังนั้นจึงไม่ได้ใช้ประโยชน์จากหลายคอร์ของ CPU

• มีการย้ายเพื่อลดอัตรานาฬิกาสำหรับเหตุผลด้านพลังงานและการจัดการความร้อน: การเพิ่มอัตรานาฬิกาไม่ส่งผลเชิงเส้นต่อการใช้พลังงานและความร้อนออก

• เนื่องจากความสัมพันธ์ที่ไม่ใช่เชิงเส้นข้างต้นนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับความต้องการในปัจจุบันที่มีหน่วยประมวลผลหลายตัวมากกว่าที่จะผลักดันความเร็วของหน่วยหนึ่งให้สูงขึ้นกว่าเดิม นอกจากนี้ยังช่วยให้เคล็ดลับที่ชาญฉลาดในการอนุรักษ์พลังงานเช่นการปิดแต่ละคอร์เมื่อไม่ได้ใช้งานและ revifying พวกเขากลับมาเป็นความต้องการเพิ่มขึ้นอีกครั้ง แน่นอนว่าหลายคอร์ไม่ได้ช่วยอัลกอริธึมแบบเธรดเดี่ยวแม้ว่าคุณจะใช้อินสแตนซ์ของมันสองตัวหรือมากกว่าในเวลาเดียวกัน

คุณคิดว่าเหตุใดผู้ผลิตจึงลดความเร็วสัญญาณนาฬิกาลงโดยการเปรียบเทียบโปรเซสเซอร์สองตัวเท่านั้น

1. 6272มีความเร็วเทอร์โบของ 3Ghz ความเร็วฐานที่ต่ำกว่าเป็นเพียงเพื่อลดกำลังไฟเฉลี่ยและรักษา TDP ที่ยอมรับได้สำหรับเวิร์กโหลดเมื่อทุกแกนถูกตรึงเครียด
2. ชิปประสิทธิภาพสูงตัวต่อไปของเอเอ็มดีสำหรับเดสก์ท็อปFX-9590จะมีขนาดถึง 5 Ghz

ความเร็วสัญญาณนาฬิกานั้นไม่เหมือนกันกับประสิทธิภาพต่อรอบสัญญาณนาฬิกา คุณสามารถมี 3.8 Ghz P4 เทียบกับหนึ่งแกน 3.2 Ghz จาก i7-3930K แต่นั่นไม่ได้หมายความว่า P4 core นั้นเร็วกว่า

ทุกสิ่งที่กล่าวถึงที่นี่เกี่ยวกับการใช้พลังงานนั้นมีผลสมบูรณ์และเป็นจริงสำหรับการออกแบบ 16 คอร์ที่คุณต้องกังวลเกี่ยวกับปัญหา TDP มากขึ้น

ด้วยวิธีการมาตรฐานของคุณเพียงแค่ทดสอบ openssl เป็นบิตเพื่อง่าย ๆ ในการให้หมายเลขโลกแห่งความจริง บางทีคุณควรลองชุดเปรียบเทียบมาตรฐานของ crypto

กรณีทดสอบของคุณ (การเข้ารหัส aes-256) มีความไวต่อการปรับแต่งเฉพาะโปรเซสเซอร์

มีซีพียูหลายตัวที่มีคำสั่งพิเศษที่ต้องการเพิ่มความเร็วในการเข้ารหัส / ถอดรหัส คำแนะนำพิเศษเหล่านี้ไม่เพียง แต่จะปรากฏบนเดสก์ท็อปของคุณเท่านั้น - อาจเป็นไปได้ว่า CPU AMD มีคำสั่งพิเศษที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ openssl อาจสนับสนุนคำแนะนำพิเศษเหล่านี้สำหรับ Intel CPU เท่านั้น คุณตรวจสอบว่าเป็นอย่างนั้นหรือไม่?

หากต้องการทราบว่าระบบใดเร็วขึ้นลองใช้ชุดเกณฑ์มาตรฐาน "ที่เหมาะสม" หรือดีกว่าเพียงใช้ปริมาณงานทั่วไปของคุณ

ง่าย: ชิป AMD นั้นไกลมากเร็วกว่าเพราะมันเป็นชิป 16 คอร์ ที่ 115 วัตต์หมายถึงแต่ละแกนสร้าง ~ 7 วัตต์ สิ่งนี้จะไม่สามารถทำได้ถ้าแต่ละคอร์วิ่งด้วยความเร็ว 3 กิกะเฮิร์ตซ์ เพื่อให้บรรลุตัวเลข 7 วัตต์นั้น AMD ได้ลดความถี่สัญญาณนาฬิกาลง การลดความถี่สัญญาณนาฬิกาลง 10% จะช่วยลดการใช้พลังงานลง 20% ซึ่งจะทำให้คุณเพิ่มคอร์เสริม 25% บนชิป

อย่างที่คนอื่น ๆ พูดกันเราไม่สามารถทำให้ซีพียูเย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกต่อไปหากเราต้องผลักดันแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มขึ้นของอัตรานาฬิกาสัมพัทธ์ในอดีต มีเวลา (ยุค P4 และก่อนหน้า) เมื่อคุณสามารถซื้อ CPU ใหม่และดูการรับ "ทันที" คือความเร็วเนื่องจากอัตรานาฬิกาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า ตอนนี้เราได้ตีกำแพงความร้อนแล้ว

โปรเซสเซอร์สมัยใหม่รุ่นใหม่แต่ละรุ่นมีอัตรานาฬิกาเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่นี่ก็สัมพันธ์กับความสามารถในการทำให้เย็นลงอย่างเหมาะสม ผู้ผลิตชิปเช่น Intel มุ่งเน้นที่การลดขนาดของซีพียูอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ทั้งคู่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและผลิตความร้อนน้อยลงในนาฬิกาเดียวกัน ขนาดที่ลดลงนี้ทำให้โปรเซสเซอร์รุ่นใหม่มีแนวโน้มที่จะตายจากแรงดันไฟฟ้ามากกว่าความร้อนสูงเกินไป ซึ่งหมายความว่ามันยัง จำกัด อัตรานาฬิกาเพดานของซีพียูรุ่นปัจจุบันใด ๆ โดยไม่มีการเพิ่มประสิทธิภาพอื่น ๆ ที่ทำโดยผู้ผลิตชิป

พื้นที่ที่เน้นโดยผู้ผลิตชิปก็คือการเพิ่มจำนวนแกนในชิป นี่เป็นปัจจัยที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในพลังการคำนวณ แต่เฉพาะเมื่อใช้ซอฟต์แวร์ที่ใช้ประโยชน์จากแกนประมวลผลหลายแกน สังเกตความแตกต่างระหว่างกำลังการคำนวณและความเร็วที่นี่ พูดง่ายๆคือความเร็วหมายถึงความเร็วที่คอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลคำสั่งเดียวได้ในขณะที่ความเร็วในการคำนวณหมายถึงจำนวนคอมพิวเตอร์ที่สามารถคำนวณได้ในเวลาที่กำหนด ระบบปฏิบัติการวันที่ทันสมัยและซอฟต์แวร์ที่ทันสมัยจำนวนมากใช้ประโยชน์จากหลายคอร์ ปัญหาคือการเขียนโปรแกรมพร้อมกัน / ขนานยากกว่ากระบวนทัศน์การเขียนโปรแกรมเชิงเส้นมาตรฐาน นี่เป็นการเพิ่มเวลาที่ต้องใช้เวลาสำหรับหลาย ๆ โปรแกรมในตลาดเพื่อใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์รุ่นใหม่เหล่านี้เพราะนักพัฒนาจำนวนมากไม่ได้ใช้โปรแกรมนี้ ยังคงมีบางโปรแกรมในตลาดปัจจุบัน (ทั้งทันสมัยหรือดั้งเดิม) ที่ไม่ใช้ประโยชน์จากหลายแกนหรือหลายเธรด โปรแกรมเข้ารหัสที่คุณอ้างถึงเป็นตัวอย่างหนึ่ง

จุดโฟกัสทั้งสองนี้โดยผู้ผลิตชิปเชื่อมต่อกันโดยเนื้อแท้ โดยการลดขนาดและการใช้พลังงานของชิปพวกเขาจะสามารถเพิ่มจำนวนแกนบนชิปดังกล่าว แม้ว่าในที่สุดสิ่งนี้ก็จะกระทบกำแพงทำให้เกิดกระบวนทัศน์ใหม่ที่รุนแรงยิ่งขึ้น

เหตุผลในการเปลี่ยนกระบวนทัศน์นี้เกิดจากเราเข้าใกล้ขีด จำกัด ของซิลิคอนเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับการผลิตชิป นี่คือสิ่งที่ Intel และคนอื่น ๆ กำลังพยายามแก้ไขอยู่ระยะหนึ่ง Intel แจ้งว่ามีทางเลือกแทนซิลิคอนในงานนี้และเราจะเริ่มเห็นมันหลังจากปี 2560 นอกจากวัสดุใหม่นี้ Intel ยังมองหาทรานซิสเตอร์ 3 มิติที่สามารถ "เพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลสามเท่า" นี่คือบทความที่กล่าวถึงแนวคิดทั้งสองนี้: http://apcmag.com/intel-looks-beyond-silicon-for-processors-past-2017.htm

• การสูญเสียความร้อน Hเท่ากับความถี่ที่f4

  H ~ f ^ 4

  ดังนั้นการเพิ่มความถี่เล็กน้อยจึงนำไปสู่การสูญเสียความร้อนสูง

• ย่อส่วนให้เล็กลง

  ความถี่ที่สูงขึ้นนำไปสู่การลดขนาดของคริสตัลให้น้อยลง ในขณะนี้เราไม่มีเทคโนโลยีในการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพกับวัสดุนาโนเมตรและนาโนเมตรเป็นขีด จำกัด

ตามที่ระบุไว้ในคำตอบอื่น ๆ ผู้ผลิต CPU ต้องการลดความเร็วสัญญาณนาฬิกาลงเพื่อควบคุมการใช้พลังงานและการกระจายความร้อน เพื่อให้สามารถทำงานได้มากขึ้นด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาเดียวกันจึงใช้กลยุทธ์หลายอย่าง

แคชหน่วยความจำบนชิปขนาดใหญ่สามารถเก็บข้อมูลได้มากขึ้น "ใกล้กับ" CPU ซึ่งสามารถประมวลผลได้โดยมีความล่าช้าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับหน่วยความจำหลักซึ่งช้ากว่ามากในการส่งข้อมูลไปยัง CPU

คำสั่ง CPU ที่แตกต่างกันทำให้จำนวนรอบสัญญาณนาฬิกาแตกต่างกันเพื่อให้สมบูรณ์ ในหลายกรณีคุณสามารถใช้วงจรอย่างง่ายเพื่อดำเนินการกับวงจรนาฬิกาหลาย ๆ วงจรหรือวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้นโดยใช้เวลาน้อยลง

ตัวอย่างที่น่าทึ่งที่สุดของเรื่องนี้ในการวิวัฒนาการของ Intel คือใน Pentium 4 ซึ่งเป็นค่าความเร็วที่ใหญ่มากในด้านความเร็วนาฬิกา แต่ไม่ได้ผลเท่าที่ควร คำแนะนำการเปลี่ยนบิตซึ่งในชิปก่อนหน้านี้สามารถเลื่อน 32 บิตในรอบเดียวใช้วงจรที่ง่ายกว่ามากใน Pentium 4 ซึ่งจำเป็นต้องใช้วงจรเดียวสำหรับแต่ละกะบิต ความคาดหวังคือสถาปัตยกรรม Pentium 4 จะสามารถปรับขนาดได้ตามความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นมากเนื่องจากความเรียบง่าย แต่ไม่ได้ผลและวงจรการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนและรวดเร็วกลับมาในแกนกลางและสถาปัตยกรรมในภายหลัง

จาก IEEE:

เหตุใดจึงไม่เร่งนาฬิกาเร็วขึ้น เพราะมันไม่คุ้มกับค่าใช้จ่ายในแง่ของการใช้พลังงานและการกระจายความร้อน Intel เรียกความเร็ว / การแลกเปลี่ยนพลังงานเป็น“ ทฤษฎีพื้นฐานของโปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์” - และนั่นคือเหตุผลที่เหมาะสมที่จะใช้พื้นที่การประมวลผลหรือแกนประมวลผลตั้งแต่สองคอร์ขึ้นไปบนชิปตัวเดียว

http://spectrum.ieee.org/computing/hardware/why-cpu-frequency-stalled