Arbeitsweise von Computerprozessoren

[maks]

Viel Physik braucht es dazu eigentlich nicht - nur ein bisl nachdenken.

Wie ja schon erwähnt sind bei einem Dualcore Prozesser 2 physikalisch Kerne vorhanden. Es sind also (fast) alle wichtigen Schaltkreise der CPU doppelt vorhanden plus ein paar mehr. Das heißt, dass die Elektronen (oder genauer, das elektrische Feld) sich in beiden Schaltkreisen parallel und zur gleichen Zeit "fortbewegen". Die Taktfrequenz der CPU gibt dabei den "Schaltrhytmus" vor.

Wie imacer schon ausgerechnet hat, ändert sich bei 3GHz alle 3,33e-10 = 0,3ns der Schaltzustand und das bei beiden Kernen gleichzeitig. Ich bin mir jetzt nicht ganz sicher, aber die meisten Dualcores können auch nur mit gleicher Taktfrequenz laufen - alles andere wäre wohl sehr aufwending ohne das es viel bringen würde. Zum Stromsparen wäre die Reduzierung der Spannung effizienter.

Es ist also wirklich auch auf kleinster Ebene alles parallel. Als hätte man einfach 2 Taschenrechner. Das wichtige ist nur, das derjenige der sie füttert:
1) 2 unabhängige Rechenaufgaben bekommt (Threads)
2) die Verbindung zum Prozesser schnell genug, damit man nicht auf Daten warten muss (FSB bzw. Hypertransport beim AMD)
dann läuft alles nicht nur parellel, sondern auch mit optimaler - also fast doppelter - Geschwindigkeit.

[Sirarokh]

Von Gleichzeitigkeit zu reden ist in diesem Fall ohnehin schwierig, da ein "Rechenvorgang" ja kein kontinuierlicher, zeitlich begrenzter Prozess im eigentlichen Sinne ist, sondern eher ein vordefinierter Zustand, der sich unter den gegebenen Voraussetzungen (Befehl, Wert) jedesmal wieder einstellen wird.
Der Takt gibt lediglich vor, wann dieser Zustand ausgelesen wird und der nächste Zustand eingestellt wird. Natürlich braucht der Prozessor ein wenig Zeit, bis er sich auf einen neuen Zustand "eingependelt" hat, so dass eine auslesbare, konstante Spannung anliegt, aber das ist keine Frage der Schaltdauer (die auf mikrophysikalischer Ebene zwar messbar wäre, aber Größenordnungen unter der Taktfrequenz liegt).
Bei geeigneter Kühlung ist ein Prozessortakt beinahe unbegrenzt erhöhbar, was aber auch (fast) allein mit der maximalen Betriebstemperatur und nicht mit der Maximalgeschwindigkeit des Halbleitermaterials zu tun hat. (Könnte man sicherstellen, das sich das Silizium an keiner Stelle erwärmt, könnte man einen beinahe unendlich schnellen Prozessor bauen). Der limitierende Faktor ist also die Wärmeentwicklung durch den Stromfluss und den Schaltprozess und nicht die tatsächliche Schaltdauer (wärend derer aber die meiste Wärme entsteht, die restliche Zeit ist gewissermaßen "Ablkühlzeit").

[maks]

Von Gleichzeitigkeit zu reden ist in diesem Fall ohnehin schwierig, da ein "Rechenvorgang" ja kein kontinuierlicher, zeitlich begrenzter Prozess im eigentlichen Sinne ist, sondern eher ein vordefinierter Zustand, der sich unter den gegebenen Voraussetzungen (Befehl, Wert) jedesmal wieder einstellen wird.

Auch unter dieser Betrachtung finden die Schaltvorgänge gleichzeitig und parallel statt. Genauso wie meine beiden Taschenrechner gleichzeitig und parallel zueinander Rechnen - wenn auch nicht syncron.
Die beiden Kerne rechnen aber sogar syncron zueinander, da sie von der gleichen Clock versorgt werden. Es findet also sogar der Übergang zum nächsten Schaltzustand gleichzeitig statt.

Bei geeigneter Kühlung ist ein Prozessortakt beinahe unbegrenzt erhöhbar, was aber auch (fast) allein mit der maximalen Betriebstemperatur und nicht mit der Maximalgeschwindigkeit des Halbleitermaterials zu tun hat. (Könnte man sicherstellen, das sich das Silizium an keiner Stelle erwärmt, könnte man einen beinahe unendlich schnellen Prozessor bauen). Der limitierende Faktor ist also die Wärmeentwicklung durch den Stromfluss und den Schaltprozess und nicht die tatsächliche Schaltdauer (wärend derer aber die meiste Wärme entsteht, die restliche Zeit ist gewissermaßen "Ablkühlzeit").

Ohne mich jetzt zuweit aus dem Fenster wagen zu wollen, aber meines Wissens nach ist das nicht ganz korrekt. Auch Halbleiterbauelemente haben ein charakteristesch Schaltzeit, die sie nicht unterschreiten können, unabhängig von Wärmeverlusten. Einerseits sollte sich das schon logisch ergeben, dass vor noch 20 Jahren CPUs praktisch kaum eine Wärmenetwicklung hatten und trotzdem nicht einfach hochgetaktet wurde bis sie am thermischen Limit anstanden.

Der tiefere Grund liegt aber wohl im Aufbau eines Halbleiterschaltelements. Die Elektronen brauchen schlicht eine bestimmte Zeit, bis sie aus der Sperrschicht "abgesaugt" wurden und der Übergang leitend wird. Diese zeit wird jedoch immer kürzer durch den immer kleineren Strukturfaktor, wodurch auch die pn Übergangszone kleiner wird und weniger Elektronen schneller abfliessen.

Es gibt also auch eine physikalische Grenze die höhere Taktraten verhindert bei gegebener Strukturgröße. Natürlich setzen viele andere Faktoren weit früher ein und momentan sind das eben thermische Probleme, was Intel beim P4 schmerzhaft feststellen mußte.

P.S.: Ich sollte mal wieder einen Blick ins Festkörperskriptum werfen um meine Thesen ein bischen untermauern zu können - aber ich glaub das spar ich mir lieber und lausche etwas der Musik die meine beiden hübschen NW125 verläßt.

[Sirarokh]

wie gesagt: Natürlich existiert auch da eine Obergrenze, sie liegt jedoch weit entfernt von der thermischen Grenze.
Die alten Prozessoren übertakten würde nicht sehr viel bringen, da sie unter anderem im Vergleich zu aktuellen Modellen nur sehr wenige Transistoren besitzen. Wir liegen da ja heute glaube ich im zweistelligen Millionenbereich pro Core. (Im Vergleich zu den anfänglichen mehreren Hundert ein Witz!)

Was ich sagen wollte: Zwar geschieht die Schaltung tatsächlich parallel, allerdings nimmt der eigentliche Schaltvorgang nur einen recht geringen Teil der Zeit ein, die innerhalb eines Taktes vergeht.

(Aber ich bin kein Profi, wenn ihr da Genaueres wisst, korrigiert mich bitte)

[maks]

wie gesagt: Natürlich existiert auch da eine Obergrenze, sie liegt jedoch weit entfernt von der thermischen Grenze.
Die alten Prozessoren übertakten würde nicht sehr viel bringen, da sie unter anderem im Vergleich zu aktuellen Modellen nur sehr wenige Transistoren besitzen. Wir liegen da ja heute glaube ich im zweistelligen Millionenbereich pro Core. (Im Vergleich zu den anfänglichen mehreren Hundert ein Witz!)

Der x86 Urahn 8088: 29k at 3 µm
Pentium: 3.1M at 0.8 µm
Core 2 Duo 291M (4MB Models) at 0.065 µm = 65nm

Verstehe aber nicht, was du genau mit dem Übertakten ansprechen willst. Natürlich würden diese alten CPUs sogar sehr gut, wahrscheinlich fast linear mit der Taktfrequenz skalieren, im Gegensatz zu den heutigen Typen. Der Grund ist einfach die wesentlich höhere Komplexität heutiger CPUs.
Das eine übertaktete alte CPU nicht schneller als eine moderne dadurch wird ist wohl selbstverständlich, trotzdem lassen sich die alten CPUs nicht weit übertakten, weil sie einfach nicht schneller schalten können.

Was ich sagen wollte: Zwar geschieht die Schaltung tatsächlich parallel, allerdings nimmt der eigentliche Schaltvorgang nur einen recht geringen Teil der Zeit ein, die innerhalb eines Taktes vergeht.

Die CPUs werden zwar eher von thermischen Problemen begrenzt, aber ich glaub nicht, dass das weit von der Dauer des Einschwingzustandes weg ist. Davon abgesehen war die ursprüngliche Frage, ob die Vorgänge wirklich parallel und zeitgleich ablaufen und das tun sie ohne wenn und aber. Irgendwie wirds schon ein bischen esoterisch

[BlueDanube]

Natürlich existiert auch da eine Obergrenze, sie liegt jedoch weit entfernt von der thermischen Grenze.

Weit entfernt würde ich nicht sagen...

Eine hohe Verlustleistung (=Wärme) hat, abgesehen von der verwendeten Technologie (und Versorgungsspannung), im Wesentlichen 2 Ursachen:
1) Die riesige Anzahl von Transistoren
2) Schaltflanken, die nicht unendlich steil sind

Der zweite Punkt wirkt sich gerade dann aus, wenn man mit der Taktrate so hoch liegt, dass die Zustände nicht lange 0 oder 1 sind, sondern das Signal nur mehr aus Flanken besteht - also in dem Bereich, wo man sich schon der physikalischen Grenze der Schaltzeiten nähert!

Ein Schalter sieht prinzipiell so aus:

Code: Alles auswählen

Versorgungsspannung
   |
   |
  /
|    Transistor 1
  \
   |
   |--------o Ausgang
   |
  /
|    Transistor 2
  \
   |
   |
Masse

Wenn der Ausgang 1 ist, leitet der obere Transistor und sperrt der untere Transistor - wenn der Ausgang 0 ist, sperrt der obere Transistor und leitet der untere Transistor.
Es fließt praktisch nie ein Strom von Versorgung gegen Masse.

Im Bereich der maximalen Taktrate sehen die Schaltzustände der Transistoren etwa so aus:

Code: Alles auswählen

Transistor 1  /\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
Transistor 2  \/\/\/\/\/\/\/\/\/\/

Man sieht, dass praktisch ständig ein mehr oder weniger großer Strom von Versorgung gegen Masse fließt, weil die Transistoren an der Flanke gleichzeitig leiten!

D.h. wenn die Verlustleistung bei gesteigerter Taktrate stark ansteigt, ist auch die absolute physikalische Grenze nicht mehr weit.

[Sirarokh]

OK, meine Angaben beruhten auf meinem alten Physiklehrer und der (be)ruht wohl noch im tiefen 20. Jahrhundert