Chip
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@knivil:
Ich glaube da bringst du etwas durcheinander.Soweit wie ich noch weis, wird die Taktfrequenz immer durch die Signallaufzeit des langsamsten Prozessorbauteils/Prozessorbestandteils bestimmt, was ungefähr der Zeit entspricht um ein Wert aus einem Speicher zu holen, ihn durch eine Logik (ALU) zu jagen und das Ergebnis in einen Speicher zu legen. Ohne Pipelining wäre die Taktfrequenz immer durch die längste Signallaufzeit aller Befehle bestimmt. Mit Pipelining hängt die Taktfrequenz immer von der längsten Signallaufzeit aller Pipelinestufen ab.
Und viola, kann ich auf einmal meine Takrate dank Pipelining X-mal schneller machen weil ich die Logik in X Schritte unterteile. (grobe Näherung)
Zur Info:
Bei einem Takt 3Ghz und einer geschätzten maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Strom in Kupfer von 1/2 c ergäbe das immer noch eine Reichweite pro Takt von weniger als 45 cm.
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Eine halbwegs moderene CPU verbrät rund 100W mit einer Spannung von rund 1.5V. Das macht dann $$\frac{100W}{1.5V} = 66 \frac{2}{3} A$$
Also da fließt durchaus Strom. Bei geschätzen 8 Milliarden Transistoren sind daas dann $$\frac{66 \frac{2}{3} A}{8 \cdot 10^9} \approx 8 \cdot 10^{-9}A$$ pro Transistor.
Der Abstand beträgt nur 45 nm, aber der Strom befindet sich in derselben Größenordung(sogar fast ne 10ner potzen drunter). Würde man das nun in Makrossopischen Einheiten betrachten hätte man einen Draht mit 1A Durchfluss der mit einem anderen Draht in 1m Entfernung Wechselwirkt...
Oder etwa doch nicht
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Hier wird beschrieben, dass der Strom etwa mit 0.074 mm/s in einem Leiter fliesst. D.h 0.5x Lichtgeschwindigkeit ist sehr utopisch. Stromfluss != Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes. Die thermische Leistung ist durchaus auf Stromfluss zurueckzufuehren, aber ich dachte immer Leckstroeme an der Oberflaeche sind schuld. Sie kann man nicht unterbinden, da die Strukturen so klein sind.
Nun gut. Wikipedia meint auch, dass Strom fliesst ... ihr habt gewonnen.
Jedoch beschraenkt es sich wohl auf einzelne Elektronen. Sie sind aber nicht fuer die 100 Watt verantwortlich.Zur Rechnung: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Intel_microprocessors bescheinigt nur "781 million transistors". 8 Mrd. sind auch etwas hoch.
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Achtung: Halbwissen incoming, alle Angaben ohne Gewähr. Aber diesmal bin ich mir doch relativ sicher.
Bitte ein Bit schrieb:
@knivil:
Ich glaube da bringst du etwas durcheinander.Soweit wie ich noch weis, wird die Taktfrequenz immer durch die Signallaufzeit des langsamsten Prozessorbauteils/Prozessorbestandteils bestimmt, was ungefähr der Zeit entspricht um ein Wert aus einem Speicher zu holen, ihn durch eine Logik (ALU) zu jagen und das Ergebnis in einen Speicher zu legen. Ohne Pipelining wäre die Taktfrequenz immer durch die längste Signallaufzeit aller Befehle bestimmt. Mit Pipelining hängt die Taktfrequenz immer von der längsten Signallaufzeit aller Pipelinestufen ab.
Und viola, kann ich auf einmal meine Takrate dank Pipelining X-mal schneller machen weil ich die Logik in X Schritte unterteile. (grobe Näherung)
Zur Info:
Bei einem Takt 3Ghz und einer geschätzten maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Strom in Kupfer von 1/2 c ergäbe das immer noch eine Reichweite pro Takt von weniger als 45 cm.Wie schnell sich der "Strom" innerhalb der Schaltung ausbreitet ist denke ich vollkommen irrelevant, denn es kommt nur auf das hin und herschieben von Information an, und die breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, denn die Information in diesen Schaltungen sind Photonen. Die führen dazu, dass Elektronen schließendlich in eine bestimmte Richtung wollen, was unseren Strom erzeugt.
Einem Transistor ist egal, wie schnell sich der Strom durch ihn durch bewegt, nur die Information ist wichtig, dass die Elektronen sich durchbewegen wollen, denn sobald sich die Elektronen in Bewegung versetzen, und zwar egal wie schnell (natürlich gibt es denke ich da bestimmte untere Schranken je nach Transistorart), leitet der Transistor ('1').
Deswegen sehen wir keine großartigen Taktsteigerungen überhalb von 3.x Gigaherz mehr, weil die Informationsweitergabe durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist. 3Ghz (3000000000 Takte pro Sekunde) ergeben ungefähr (wenn ich mich jetzt nicht verrechnet habe), etwa 1 Takt alle 3.3^-10 Sekunden. Bei Lichtgeschwindigkeit legen Photonen in dieser Zeit etwa 10cm zurück, und das ist das wirkliche Limit in Schaltungen heutzutage, den längsten weg innerhalb des Prozessors kleiner als diese paar centimeter zu halten, weil es sonst sozusagen losgeht dass sich die Information selbst in den Hintern beißt und massiv viele Hazards auftreten.
Prozessoren an sich sind natürlich kleine Rechtecke die viel kleiner sind als 10cm, aber die Photonen müssen sich da drin ja nicht auf ner geraden Strecke von einem bis zum anderen Ende bewegen, sondern laufen da drin praktisch nen Zickzackkurs, da dürften diese 10cm schnell zusammen kommen.
Früher lag das Problem glaube ich eher noch da, dass man Transistoren hatte die viel zu langsam schalteten, was in einem extrem niedrigen Takt (im Vergleich zu heute) endete. Das Problem gibt es heute aber denke ich nichtmehr.
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TravisG schrieb:
Früher lag das Problem glaube ich eher noch da, dass man Transistoren hatte die viel zu langsam schalteten, was in einem extrem niedrigen Takt (im Vergleich zu heute) endete. Das Problem gibt es heute aber denke ich nichtmehr.
Die Informationen müssen innerhalb eines Taktes nicht von überall auf dem Prozessor nach überall hin. Man hält die Informationsverarbeitung halbwegs lokal. Pipelining wurde in diesem Zusammenhang ja schon erwähnt... Während die ALU irgendeine Berechnung macht, werden schonmal weitere Daten vom Cache in ein Register geladen.
Ich vermute, dass die Taktfrequenz heutzutage vor allem durch die Abwärme limitiert ist, die ja auch irgendwie abgeführt werden muss. AFAIK nimmt die Abwärme quadratisch mit der Taktfrequenz zu.
EDIT: Ich wurde darauf hingewiesen, dass, wenn man die Taktrate unabhängig von jeder anderen Größe, die die Arbeitsweise eines Prozessor bestimmt, erhöht, vermutlich nur eine lineare Abhängigkeit zwischen Abwärme und Taktrate vorliegt. Diesbezüglich möchte ich ergänzen, dass das so nicht geht. Ein Transistor innerhalb eines integrierten Schaltkreises hat eine Maximalfrequenz, mit der er betrieben werden kann. Diese Frequenz hängt von der Leitfähigkeit des Kanals in ihm ab. Die Maximalfrequenz ist proportional zu dieser Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit wiederum ist proportional zur Gatespannung. Das heißt, um die Maximalfrequenz zu erhöhen, mit der ein Transistor verlässlich betrieben werden kann, muss man auch die Gatespannung erhöhen. Bzw. grob gesagt die Spannung, mit der der Prozessor betrieben wird.
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freakC++ schrieb:
in einem Prozessor fließen winzige Ströme und die Transistoren befinden sich auf wahnsinnig engen Platz. Immer wieder fließt Strom, immer wieder nicht. Andauernd muss es doch zur Selbstinduktion kommen und dadurch müssten doch eigentlich herumliegende Transistoren beeinflusst werden. Warum also funktioniert dann überhaupt eine CPU?
Ich würde auch davon ausgehen, dass es eine gewisse Beeinflussung der Bauelemente untereinander gibt. Wie das genau auf dem Prozessor aussieht, kann ich aber nicht sagen. Vermutlich gibt es bestimmte Limitierungen, die man beim Bau eines Prozessors einhalten muss, damit es durch derartige Beeinflussungen nicht zu Problemen kommt. Aus anderen Bereichen der Mikroelektronik sind ja auch ähnliche Beeinflussungen bekannt. Zum Beispiel wenn man viele parallele Leitungen hat. Oder natürlich auch bei MRAMs, aber die sind ein spezieller Fall.
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Selbstinduktion spielt auf Grund der kleinen Ströme keine Rolle. Was bei integrierten Schaltungen berücksichtigt wird (und muss), sind Influenz Effekte (durch E-Felder). Diese Beeinflussen nämlich das Schaltverhalten der FETs.
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Ich schließe aus den langen Antworten (danke dafür), dass es durchaus solche Beeinflussungen gibt, doch keine allzu großen Fehler hervorrufen.
Warum sollte denn Influenz eine Rolle spielen? Was ist denn da geladen? Es fließt doch andauernd Strom?
lg, freakC++
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@TravisG:
a)
Deswegen sehen wir keine großartigen Taktsteigerungen überhalb von 3.x Gigaherz mehr, weil die Informationsweitergabe durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist
ai) Ne 3Ghz als taktfrequenz ist keine Grenze. Sonst gäbs ja auch keine 10Gbit leitung, deren diskrete zustände zu weitaus kleineren Zeiten gewährleistet sind.
aii) Es gibt einen Unterschied zwischen Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit,...b)
[..]denn die Information in diesen Schaltungen sind Photonen.
wie kommst Du denn da rauf?
bi) Wir reden hier nicht über ein optisches system.
bii) Die über die potentialverschiebung erzeugte Kristalinie deformation,
wirkt nur in irgendwelchen nebenbändern (ausgehend von der phase des Potentials) als dipol, und sollen bestimmt nicht
als informationsträger dienen...
biii) Nur weil das "transportierte" (gefährlich das so zu nennen) Potential
welleneigenschaften hat, heißt das noch lange nicht das auf den leiterbahnen
ne EM-Welle ihr unwesen treibt,...@freakC++:
HF technik ist echt ne komplexe sache und gerade bei langen leitungen versucht man die vom design her abzuschirmen oder differntielle kanäle aufzubauen.
Man kann auch davon ausgehen das bestimmt 5,6 Prototyp Wafer für den popo sind.Falls Dich interessiert worauf man alles achten muss usw. gibt es eine menge lektüre.
Für Schaltungstechnik (Grundlagen):
http://www.amazon.de/Halbleiter-Schaltungstechnik-Ulrich-Tietze/dp/3642016219/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1295890105&sr=8-1Das für HF habe ich aber selber nicht, wurde mir aber mal empfohlen,...
grüüüße
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zeusosc schrieb:
[..]denn die Information in diesen Schaltungen sind Photonen.
wie kommst Du denn da rauf?
Da wollte ich auch nochmal ansetzen... Ich sehe das so: Ein Prozessor ist zu einer gegebenen Zeit in einem bestimmten Zustand. Wie ist dieser Zustand jetzt gekennzeichnet? Naja, da der Prozessor aus lauter Transistoren besteht, ist der Zustand offensichtlich durch die Zustaende der einzelnen Transistoren gekennzeichnet. Ein Transistor wiederum kann sich entweder in einem leitenden Zustand oder in einem nichtleitenden Zustand befinden.
So ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) besteht im Prinzip aus einem Plattenkondensator und einer Schicht zwischen den Platten, die in Abhaengigkeit von der Ladung auf den Platten entweder leitet oder nicht. Das heisst, dass der Zustand eines MOSFETS durch die Ladung auf den Platten gegeben ist.
Die Ladung bestimmt somit auch den Zustand des Prozessors im Gesamten. Und man kommt von einem Zustand in den naechsten durch Ladungstransport. Zumindest durch so viel Ladungstransport, dass die Kondensatoren der MOSFETs entweder geladen oder entladen werden.
Also aus meiner Sicht heisst das auch, dass die elektrischen Ladungen die Informationstraeger in einem Prozessor sind.
Der Photonen-als-Ladungstraeger-Sicht liegt vermutlich ein anderes Verstaendnis von Information zugrunde. Aber letztendlich geht es hier ja darum, was die Taktfrequenz eines Prozessors bestimmt. Ich denke nicht, dass das die Signalausbreitungsgeschwindigkeit ist, sondern stattdessen die Zeit, die benoetigt wird, um Ladung auf die Kondensatoren zu schieben oder wieder von ihnen runterzuschieben.
Ok, diesbezueglich sind mir die Groessenordnungen aber auch nicht zu 100% klar. Es kann auch sein, dass die Verzoegerungen durch die Laenge der Leitungen wesentlich sind.
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Ich bin eben ueber die Low-k Dielektrika gestolpert. Ich wusste nie, fuer was die in Chips eingesetzt werden, jetzt weiss ich es aber.
Offensichtlich sind parasitaere Kapazitaeten, wie sie zum Beispiel durch parallele Leitungen auf einem Chip entstehen koennen, durchaus ein Problem. Hier setzt man jetzt diese Low-k Dielektrika zwischen den Leitungen ein. Die sorgen dafuer, dass diese parasitaeren Kapazitaeten wieder kleiner werden.
Also: Man muss inzwischen aktiv gegen Wechselwirkungen zwischen Bauelementen auf Computerchips vorgehen.