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超導計算機能達到多高的時鐘頻率?

2017年08月22日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 9 ℃ 次

【劉之暘的回答(1票)】:

電場的傳播速度還是有限的,應該還是限於GHz吧

【北極的回答(21票)】:

首先,在解釋CPU頻率上限之前,先要介紹一個概念:Propagation Delay(Propagation delay),見下圖:

這個圖是一個簡單的二進制加法器門電路,A/B/C分別是加法器的三個出入(兩個加數和一個由低位進位的數),輸出結果有兩位,S是結果,C是進位。根據圖上的路徑可以看出來,要獲得S和C,不同的信號通過的門電路個數和線路的長度是不同的,所以信號到達結果一端的時間可能是不同的。

如果信號頻率特別大的時候,可能會導致前一個信號還沒有完全通過線路,後一個信號就過來了,這會造成結果的混亂。

所以,信號的極限頻率就是:要保證任何時間裡,電路內只有一個脈衝信號通過

這種規律也適用於CPU設計。

那麼電信號通過的速度有多快?雖然導電的是電子,但CPU中工作的實際上是電場,電場的速度等於光速。所以極限頻率就等於:1秒/電場通過芯片需要的時間,換算一下就光速除以芯片尺寸

所以,功耗只是解決掉了發熱的限制,並不能突破光速這個物理定律的極限。

以Intel i7 4790K為例,芯片的核心尺寸是177平方毫米,換算一下是大概是一個13毫米左右的正方型,那麼電場通過這塊芯片最快也需要4.333*10^-11秒,換算成主頻就是23GHz,這也就是這塊芯片的理論極限主頻。

為什麼芯片廠商都拚命縮小尺寸?功耗是一方面,重要的是能提升極限頻率,極限頻率跟芯片尺寸息息相關

那麼芯片極限頻率能否達到1THz呢?至少以目前技術來說不可能。瓶頸不在功耗,而在芯片尺寸上。在電場速度(光速)的限制下,芯片達到1THz,就要求芯片尺寸小於0.3毫米,這麼小的芯片,以現在的技術,還無法完全集成一個CPU的全部功能

實際上1THz的東西不算新聞,THz級別的晶體管/二極管/開關電路早就有了,那麼如果以THz晶體管設計的一些簡單功能的電路(比如上面的加法器),超過100GHz完全沒問題,甚至上THz都沒問題。但放到整個芯片上的時候,因為延遲的原因,主頻必然還是要降低到GHz的範圍,所以理論上,毫米級大小的芯片,主頻不會超過100GHz。

最後,超級計算機的計算能力雖然與單個計算節點的計算能力相關,但絕對不等於單個節點的計算能力。超算目前的發展方向是異構計算,CPU在超級計算機中並不負擔特別大的計算任務,計算任務大多數都由GPU等計算模塊完成。

有些觀念可以改變了,參考:在你的專業裡,有什麼基礎知識是和普通人的認識不相符的? - 知乎用戶的回答

【Sean的回答(2票)】:

「時鐘頻率」這個概念在超級計算機的領域其實沒太大說服力的。

正如 @北極 的答案所說,單個處理器的極限到百 GHz(10^11)級就非常不錯了。 但是當下的超級計算機運算能力數量級大多在Peta Hz (10^15) 級別,原因並不是單個處理器性能強悍,而是靠非常非常多的芯片大規模並行計算,以提高速度。

例如我國的天河二號超級計算機,累計使用32,000顆Xeon E5主處理器和48,000個Xeon Phi協處理器,你單獨看每個處理器,也就是2GHz左右的;但這麼多處理器並行運算,能達到每秒近33PFLOP (33×10^15次浮點運算),比2GHz不知高到哪去了。

所以時鐘頻率這個概念,用在對單個處理器的性能討論或許是合適的,但放在超級計算機裡,不太合適。

即使單個處理器的性能有大幅提升,最後組成的超級計算機也未必有同等數量級的性能提升。當你把上萬個處理器連在一起工作的時候,他們獨自的性能早就不是瓶頸了。系統的架構,IO總線通信等等才是性能殺手。

那麼題主問的這個超導計算機又意義何在呢?

官方的介紹在這:C3

可以看到,此超導計算機研製的最大目的並非為了提高性能,而是為了降低功耗

他們的目標是:實現1 PFLOP/s 消耗 25 kW。

對比一下天河二號:33 PFLOP/s 消耗大約 24MW,近似於 1 PFLOP/s = 1375kW。

可以看到,如果此項技術成功,可以使得同等運算能力下,功耗下降大約50倍還不止! 由此帶來的能源開支,佔地面積等都會大幅下降。

以上。

【馬達的回答(0票)】:

Simple superconducting logic circuits have been shown to operate at speeds of up to 770 gigahertz.

Dorojevets says these designs help build a foundation for ultralow-power superconducting processors that could potentially work at speeds of 20 to 50 GHz. Superconductor Logic Goes Low-Power

Superconducting logic

【CyphetToretto的回答(2票)】:

謝邀,不是很瞭解這個方面,不過查了一下,發現下面書中一段話可能回復了這個問題。

「信息化設備的基石-計算機」一書有介紹超導計算機,其中一段為:

超導技術被認為是實現千萬億次計算機的最具吸引力的技術之一,所謂超導是指介質的電阻幾乎等於零。超導計算機具有速度極快、功耗極小、工藝簡單等優點。其基本原理是利用超導態下SQUID(超導量子接口設備)在微小外加電流下可以存儲或釋放一份磁通量的原理,用SQUID中磁通量的有無表示1和0.

由於工作在超導態,速度快,超導體微處理機的工作頻率可達100GHz。由於外加電流很小,功耗小,每個門的功率只有0.1uW。

【徐微的回答(1票)】:

瀉藥,你們找錯人了

標籤:-IBM -計算機 -摩爾定律 -超導


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