Наш не­со­вер­шен­ный мир: про­цес­со­ры

В но­вой руб­ри­ке «Наш не­со­вер­шен­ный мир» бу­ду из­ред­ка рас­ска­зы­вать про тот иди­о­тизм, ко­то­рый нас окру­жа­ет. Нач­ну, по­жа­луй, с про­цес­со­ров. Быст­ро­дей­ствие и раз­ме­ры со­вре­мен­ных мик­ро­про­цес­со­ров очень до­стой­ные да­же с мо­ей при­ве­ред­ли­вой точ­ки зре­ния. А вот их энер­го­по­треб­ле­ние остав­ля­ет же­лать луч­ше­го.

Про­цес­сор — са­мое не­эф­фек­тив­ное устрой­ство из всех устройств, ко­гда-ли­бо со­здан­ных че­ло­ве­ком. КПД про­цес­со­ра прак­ти­че­ски точ­но ра­вен ну­лю.

Про­ве­дём не­ко­то­рые оцен­ки (не вы­хо­дя за рам­ки школь­но­го кур­са фи­зи­ки) на при­ме­ре двухъ­ядер­но­го про­цес­со­ра, имею­ще­го 600 мил­ли­о­нов тран­зи­сто­ров и так­то­вую ча­сто­ту 3 ги­га­гер­ца. Не бу­дем тре­бо­вать от про­цес­со­ра че­го-то не­ре­аль­но­го: об­ра­ти­мой ло­ги­ки[1],[2] и ра­бо­ты при тем­пе­ра­ту­ре аб­со­лют­ный ноль. Оце­ним, ка­кое долж­но быть энер­го­по­треб­ле­ние про­цес­со­ра с не­об­ра­ти­мой ло­ги­кой при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре.

Рас­смот­рим худ­ший ва­ри­ант: на каж­дом тран­зи­сто­ре за один такт те­ря­ет­ся один бит ин­фор­ма­ции. Это озна­ча­ет, что эн­тро­пия про­цес­со­ра воз­рас­та­ет[1] как ми­ни­мум на k\cdot\ln\left(2\right) джо­у­лей на кель­вин, где k = 1.38 \cdot 10^{-23} — по­сто­ян­ная Больц­ма­на. Эн­тро­пия не мо­жет бес­ко­неч­но на­кап­ли­вать­ся в про­цес­со­ре, и долж­на быть пе­ре­да­на внеш­ней сре­де в ви­де теп­ла. То­гда тран­зи­стор за один такт дол­жен от­дать внеш­ней сре­де энер­гию E_1 = T \cdot k \cdot \ln\left(2\right), где T — тем­пе­ра­ту­ра внеш­ней сре­ды.

Тран­зи­сто­ров у нас n = 600 \cdot 10^6. Каж­дый тран­зи­стор те­ря­ет в се­кун­ду m = 3 \cdot 10^9 бит (так­то­вая ча­сто­та 3 ГГц). То­гда вы­де­ля­е­мая за се­кун­ду (и, зна­чит, по­треб­ля­е­мая за се­кун­ду) про­цес­со­ром энер­гия бу­дет рав­на:

E = n\cdot m\cdot E_1 = m\cdot n\cdot T\cdot k\cdot ln\left(2\right).
(1)

Пусть внеш­няя сре­да име­ет тем­пе­ра­ту­ру T = 27 гра­ду­сов Цель­сия {} = 300 кель­ви­нов, то­гда, под­став­ляя чис­ло­вые дан­ные в фор­му­лу (1), по­лу­чим:

E = 600\cdot 10^6\cdot 3\cdot 10^9\cdot 300\cdot 1.38\cdot 10^{-23}\cdot \ln\left(2\right) \approx 0.005
(2)

джо­у­лей за се­кун­ду {} = 5 мил­ли­ватт.

Итак, не­об­ра­ти­мый про­цес­сор, ра­бо­таю­щий при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, дол­жен по­треб­лять мощ­ность 5 мил­ли­ватт.

Ре­аль­ный же про­цес­сор с ука­зан­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми по­треб­ля­ет мощ­ность по­ряд­ка 50-ти ватт. Та­ким об­ра­зом, мы при­хо­дим к вы­во­ду, что про­цес­сор по­треб­ля­ет в 10 ты­сяч раз боль­ше энер­гии, чем дол­жен по­треб­лять для про­ве­де­ния вы­чис­ле­ний!

И по­сле это­го лю­ди удив­ля­ют­ся, что за­ря­да ак­ку­му­ля­то­ра в но­ут­бу­ке не хва­та­ет на сут­ки ра­бо­ты. Хо­тя ещё дис­плей мно­го по­треб­ля­ет, но об этом мы по­го­во­рим как-ни­будь в сле­дую­щий раз.

По­че­му ре­аль­но­му про­цес­со­ру тре­бу­ет­ся так мно­го энер­гии? Де­ло в том, что все про­вод­ни­ки про­цес­со­ра име­ют ём­кость и со­про­тив­ле­ние. Ло­ги­че­ское со­стоя­ние про­вод­ни­ка («0» или «1») ко­ди­ру­ет­ся на­пря­же­ни­ем, при­сут­ствую­щем на этом про­вод­ни­ке. Сме­на ло­ги­че­ско­го со­стоя­ния при­во­дит к не­об­хо­ди­мо­сти сме­ны на­пря­же­ния на этом про­вод­ни­ке; сме­на на­пря­же­ния тре­бу­ет пе­ре­за­ряд­ки ём­ко­сти про­вод­ни­ка[8]; за­ряд­ка ём­ко­сти при­во­дит к на­ли­чию то­ка; ток, те­ку­щий че­рез про­вод­ник с со­про­тив­ле­ни­ем, при­во­дит к вы­де­ле­нию теп­ла. Кро­ме то­го, не­боль­шая часть энер­гии ухо­дит из про­цес­со­ра в ви­де элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния.

Пред­ста­вим, что не­ко­то­рый ло­ги­че­ский эле­мент про­цес­со­ра име­ет ём­кость C, и на не­го по­да­ёт­ся сиг­нал f\left(t\right) че­рез про­вод­ник с со­про­тив­ле­ни­ем R. То­гда ток за­ряд­ки кон­ден­са­то­ра ра­вен: I\left(t\right) = C\cdot df\left(t\right)/dt. Мощ­ность, вы­де­ля­е­мая на про­вод­ни­ке, рав­на: P\left(t\right) = I^2\left(t\right)\cdot R. От­сю­да:

P\left(t\right) = \left(C\cdot \frac{df\left(t\right)}{dt}\right)^2 \cdot R.
(3)

Из фор­му­лы сле­ду­ют пу­ти сни­же­ния вы­де­ля­е­мой (а, зна­чит, и по­треб­ля­е­мой) мощ­но­сти:

  • Умень­ше­ние раз­ме­ра про­цес­со­ра: ём­кость кон­ден­са­то­ра пря­мо про­пор­цио­наль­на его раз­ме­ру, а со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ка об­рат­но про­пор­цио­наль­но его раз­ме­ру. Но ём­кость в фор­му­ле (3) воз­во­дит­ся в квад­рат, по­это­му при про­чих рав­ных усло­ви­ях по­треб­ля­е­мая про­цес­со­ром мощ­ность про­пор­цио­наль­на его раз­ме­ру. Раз­мер за­ви­сит от ис­поль­зу­е­мой тех­но­ло­гии из­го­тов­ле­ния, по­это­му про­из­во­ди­те­ли по­сто­ян­но ста­ра­ют­ся усо­вер­шен­ство­вать тех­но­ло­гию из­го­тов­ле­ния про­цес­со­ров.

  • Умень­ше­ние на­пря­же­ния пи­та­ния при­во­дит к про­пор­цио­наль­но­му умень­ше­нию функ­ции f\left(t\right) (а, зна­чит, и её про­из­вод­ной) в фор­му­ле (3). Так как эта функ­ция воз­во­дит­ся в квад­рат, то по­треб­ля­е­мая мощ­ность сни­жа­ет­ся про­пор­цио­наль­но квад­ра­ту сни­же­ния на­пря­же­ния. По­это­му про­цес­сор, пи­таю­щий­ся от на­пря­же­ния 1.5 воль­та, по­треб­ля­ет в 4 ра­за мень­шую мощ­ность, чем про­цес­сор, пи­таю­щий­ся от на­пря­же­ния 3 воль­та. К со­жа­ле­нию, умень­ше­ние на­пря­же­ния сни­жа­ет устой­чи­вость про­цес­со­ра к по­ме­хам и по­вы­ша­ет тре­бо­ва­ния к ка­че­ству его из­го­тов­ле­ния. Ещё 20 лет на­зад все про­цес­со­ры пи­та­лись от 5-ти вольт, сей­час встре­ча­ют­ся про­цес­со­ры, тре­бую­щие ме­нее од­но­го воль­та для сво­ей ста­биль­ной ра­бо­ты.

    На сни­же­нии на­пря­же­ния пи­та­ния про­цес­со­ра ос­но­ван энер­го­сбе­ре­гаю­щий ре­жим в но­ут­бу­ках. При этом, что­бы про­цес­сор не за­глю­чил, так­же сни­жа­ет­ся его так­то­вая ча­сто­та, что да­ёт до­пол­ни­тель­ное умень­ше­ние по­треб­ля­е­мой мощ­но­сти (смот­ри­те сле­дую­щий пункт).

  • Умень­ше­ние так­то­вой ча­сто­ты при­во­дит к про­пор­цио­наль­но­му умень­ше­нию ско­ро­сти из­ме­не­ния всех на­пря­же­ний в про­цес­со­ре. Так как ско­рость из­ме­не­ния на­пря­же­ния в фор­му­ле (3) воз­во­дит­ся в квад­рат, то, в иде­а­ле, энер­го­по­треб­ле­ние про­цес­со­ра па­да­ет про­пор­цио­наль­но квад­ра­ту умень­ше­ния так­то­вой ча­сто­ты. На прак­ти­ке си­ту­а­ция ху­же, и за­кон сни­же­ния энер­го­по­треб­ле­ния мо­жет ока­зать­ся бли­же к ли­ней­но­му, чем к квад­ра­тич­но­му (из-за рез­ко­сти сме­ны на­пря­же­ния в про­вод­ни­ках про­цес­со­ра). До­пол­ни­тель­но ухуд­ша­ет си­ту­а­цию то, что при сни­же­нии ча­сто­ты про­пор­цио­наль­но сни­жа­ет­ся быст­ро­дей­ствие про­цес­со­ра. При этом у нас есть два вы­хо­да:

    • Мы мо­жем доль­ше ждать ре­ше­ния за­да­чи. При этом за­тра­чен­ная энер­гия про­пор­цио­наль­на вре­ме­ни ра­бо­ты про­цес­со­ра, ко­то­рое, в свою оче­редь, об­рат­но про­пор­цио­наль­но так­то­вой ча­сто­те. По­лу­ча­ем, что при умень­ше­нии так­то­вой ча­сто­ты в k раз по­треб­ля­е­мая мощ­ность па­да­ет в k^2 раз, од­на­ко в k раз уве­ли­чи­ва­ет­ся вре­мя, в те­че­ние ко­то­ро­го эта мощ­ность по­треб­ля­ет­ся. В ито­ге, при сни­же­нии ча­сто­ты в k раз, энер­гия не­об­хо­ди­мая для ре­ше­ния за­да­чи, то­же умень­ша­ет­ся в k раз (это в тео­рии, на прак­ти­ке вы­иг­рыш зна­чи­тель­но ни­же).

    • Мы мо­жем ис­поль­зо­вать для ре­ше­ния за­да­чи не­сколь­ко ядер/про­цес­со­ров. До­пол­ни­тель­ные яд­ра тре­бу­ют до­пол­ни­тель­ной энер­гии, од­на­ко их на­ли­чие поз­во­ля­ет сни­зить так­то­вую ча­сто­ту, не­об­хо­ди­мую для до­сти­же­ния тре­бу­е­мой про­из­во­ди­тель­но­сти. Рас­суж­дая ана­ло­гич­но рас­суж­де­ни­ям преды­ду­ще­го пунк­та, по­лу­чим, что нам энер­ге­ти­че­ски в 2 ра­за вы­год­нее ре­шить за­да­чу на двух мед­лен­ных яд­рах, чем на од­ном в 2 ра­за бо­лее быст­ром яд­ре. По­это­му про­из­во­ди­те­ли ре­кла­ми­ру­ют, что с по­вы­ше­ни­ем ко­ли­че­ства ядер уве­ли­чи­ва­ет­ся вре­мя ра­бо­ты но­ут­бу­ка от ба­та­реи. Де­ло в том, что на про­цес­со­ре с бо́льшим чис­лом ядер мож­но ис­поль­зо­вать бо­лее су­ще­ствен­ное сни­же­ние так­то­вой ча­сто­ты в ре­жи­ме энер­го­сбе­ре­же­ния, не до­став­ляя дис­ком­фор­та поль­зо­ва­те­лю. Важ­ным усло­ви­ем здесь яв­ля­ет­ся за­груз­ка всех имею­щих­ся ядер (па­ра­л­лель­ная ра­бо­та про­грамм), что не все­гда бы­ва­ет на прак­ти­ке.

    Ес­те­ствен­но, про­из­во­ди­те­ли стре­мят­ся по­вы­сить, а не по­ни­зить ча­сто­ту про­цес­со­ров, так как быст­ро­дей­ствие обыч­но счи­та­ет­ся бо­лее важ­ным, чем энер­го­по­треб­ле­ние.

  • На­ко­нец, в фор­му­ле (3) остал­ся по­след­ний па­ра­метр: R. Его мож­но сни­жать ли­бо пу­тём ис­поль­зо­ва­ния бо­лее ка­че­ствен­ных ма­те­ри­а­лов при из­го­тов­ле­нии мик­ро­схем (тут пре­дел дав­но до­стиг­нут), ли­бо пе­ре­во­дом ма­те­ри­а­лов в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние.

    Сверх­про­во­дя­щие по­лу­про­вод­ни­ки уже изоб­ре­те­ны. До­ста­точ­но сде­лать про­цес­сор из под­хо­дя­щих ма­те­ри­а­лов, охла­дить его до по­ло­ви­ны гра­ду­са Кель­ви­на — и со­про­тив­ле­ние упа­дёт до ну­ля. По­сле это­го про­цес­сор пе­ре­ста­нет греть­ся во­об­ще. Но и ра­бо­тать он то­же пе­ре­ста­нет: во всех це­пях про­цес­со­ра воз­ник­нут ко­ле­ба­ния, ко­то­рые бу­дут за­ту­хать толь­ко за счёт элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. При­дёт­ся су­ще­ствен­но сни­зить так­то­вую ча­сто­ту про­цес­со­ра, что­бы все ко­ле­ба­ния успе­ли за­тух­нуть, при этом энер­гия всё рав­но бу­дет тра­тить­ся впу­стую.

Мы убе­ди­лись, что про­цес­сор не­со­вер­ше­нен. Но не на­шли спо­со­ба ра­ди­каль­но улуч­шить си­ту­а­цию. При­ни­маю ва­ши пред­ло­же­ния по из­го­тов­ле­нию про­цес­со­ра, пус­каю­ще­го всю энер­гию «в де­ло»!

Ссыл­ки по те­ме

  1. Фи­зи­че­ская ин­фор­ма­ция — ин­фор­ма­ция фи­зи­че­ской си­сте­мы.

  2. Об­ра­ти­мые вы­чис­ле­ния — вы­чис­ле­ния, осу­ществ­ляе­мые без по­те­ри ин­фор­ма­ции.

  3. Ло­ги­че­ский эле­мент Тоф­фо­ли — об­ра­ти­мый ло­ги­че­ский эле­мент, функ­цио­ни­рую­щий без по­те­ри ин­фор­ма­ции и, зна­чит, та­кой эле­мент мо­жет не вы­де­лять теп­ло при сво­ей ра­бо­те (и не по­треб­лять энер­гию).

  4. Кван­то­вый ком­пью­тер — он мо­жет функ­цио­ни­ро­вать до тех пор, по­ка не про­изо­шло кван­то­вой де­ко­ге­рен­ции. Ес­ли кван­то­вый ло­ги­че­ский эле­мент бу­дет не­об­ра­тим, то про­изой­дёт по­те­ря ин­фор­ма­ции и де­ко­ге­рен­ция. По­это­му, кван­то­вый ком­пью­тер обя­зан функ­цио­ни­ро­вать без по­те­ри ин­фор­ма­ции, что обу­слав­ли­ва­ет по­пу­ляр­ность ис­сле­до­ва­ний в об­ла­сти об­ра­ти­мых вы­чис­ле­ний.

  5. «Чёр­ная ды­ра не име­ет во­лос» — ги­по­те­за о том, что не­воз­мож­но от­ли­чить две чёр­ных ды­ры, ес­ли они име­ют оди­на­ко­вые мас­су, элек­три­че­ский за­ряд, и уг­ло­вой мо­мент. Из этой ги­по­те­зы сле­ду­ет па­ра­докс:

  6. Ин­фор­ма­ци­он­ный па­ра­докс чёр­ной ды­ры — раз чёр­ные ды­ры не­от­ли­чи­мы, то ку­да де­ва­ет­ся ин­фор­ма­ция, ко­то­рая за­са­сы­ва­ет­ся в них?

  7. Го­ло­гра­фи­че­ский прин­цип — раз­ре­ша­ет ин­фор­ма­ци­он­ный па­ра­докс при по­мо­щи тео­рии струн.

  8. Элек­три­че­ский кон­ден­са­тор — ссыл­ка на вся­кий слу­чай.

16 отзывов о несовершенных процессорах

Про­цес­со­ры — не са­мое боль­шое не­со­вер­шен­ство в на­шем ми­ре. Че­ло­век ку­да бо­лее не­со­вер­ше­нен. Да и что зна­чит са­мо по­ня­тие «со­вер­шен­ный»? Зна­чит ли это, что что-ли­бо долж­но пол­но­стью со­от­вет­ство­вать на­шим о нем пред­став­ле­ни­ям и мо­де­лям? http://ru.wikipedia.org/wiki/Иде­ал А в ка­че­стве за­дач­ки по фи­зи­ке — очень хо­ро­шее упраж­не­ние по­лу­чи­лось
Всё го­раз­до про­ще. Под не­со­вер­шен­ством я по­ни­мал не­эф­фек­тив­ность, низ­кий КПД (смот­ри вто­рой аб­зац). В мо­ём по­ни­ма­нии со­вер­шен­ство — это эф­фек­тив­ность. Чем эф­фек­тив­нее тра­тят­ся имею­щие­ся ре­сур­сы (ве­ще­ство, энер­гия, вре­мя, день­ги) для до­сти­же­ния це­ли, — тем со­вер­шен­нее си­сте­ма. Ес­те­ствен­но, о со­вер­шен­стве в та­ком кон­тек­сте мож­но го­во­рить толь­ко то­гда, ко­гда це­ли функ­цио­ни­ро­ва­ния си­сте­мы яс­но опре­де­ле­ны.
Кста­ти, чёр­ная ды­ра при ис­па­ре­нии воз­вра­ща­ет по­пав­шие в неё ве­ще­ство, энер­гию и, как не­дав­но по­ка­за­но, ин­фор­ма­цию. Воз­вра­ща­ет ли она по­пав­шие в неё день­ги? Хо­тя день­ги — это и есть ин­фор­ма­ция. Они дав­но уже хра­нят­ся не в сей­фах, а в ба­зах дан­ных…
А по мо­е­му са­мое не­со­вер­шен­ное- это об­ще­ство в ко­то­ром мы все с ва­ми жи­вем…. Я по­мо­е­му на­звал са­мо не­овр­шен­ство, кто воз­ра­зит!!!
од­но из ре­ше­ний всем из­вест­но и не кем в пол­ной ме­ре не реа­ли­зо­ва­но — трех­мер­ная ком­по­нов­ка.
дру­гой ва­ри­ант из­ба­вит­ся от не­нуж­ных тран­зи­сто­ров — MISC.
осталь­ное без­мер­но слож­нее…
кста есть ге­те­ро­ген­ные вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные сверх­про­вод­ни­ки
ну и на­счет ма­те­ри­а­лов все не так пе­чаль­но (ни од­ним крем­ни­ем еди­ны =)) )
во­про­сы? зы как раз­жить­ся ис­ход­ни­ка­ми ва­ше­го ко­да пе­ре­но­са слов?
is there a free reverse phone lookup that works reverse lookup phone free usa phone lookup that works for free free reverse mobile phone lookup
reverse phone lookup that works for free how to get free reverse phone lookup cell free name phone lookup free reverse phone lookup canada
free reverse phone number lookup free name reverse lookup canada reverse free
phone lookup cell best free reverse phone lookup with
name
free phone lookup reverse reverse cell
phone lookup with name free reverse cell phone lookup with name
free reverse phone lookup cell with name
free reverse phone lookup cell reverse phone lookup cell phone free free phone number lookup reverse reverse phone lookup name
free reverse phone lookup usa free phone directory reverse lookup free phone number lookup reverse reverse phone number lookup cell phone
mobile phone reverse lookup free reverse free phone number lookup how to lookup
reverse lookup phone number cell free phone numbers for free
My partner and I stumbled over here different page and thought I might
check things out. I like what I see so i am just following you.
Look forward to going over your web page repeatedly.
Awesome article.
Admiring the commitment you put into your blog and detailed information you offer.
It’s good to come across a blog every once in a while that isn’t the same out of date rehashed material.
Wonderful read! I’ve saved your site and I’m adding your RSS feeds to
my Google account.
Pretty great post. I simply stumbled upon your weblog and wanted to
mention that I’ve really enjoyed browsing your weblog posts.
After all I will be subscribing for your feed and I am hoping
you write once more very soon!

Оставить отзыв

Жёлтые поля обязательны к заполнению

   

Можете использовать теги <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong> <pre lang=""> <div class=""> <span class=""> <br>