超导计算机能达到多高的时钟频率

Question

如题所述

Answer 1

首先，在解释CPU频率上限之前，先要介绍一个概念：Propagation Delay（ Propagation delay ），见下图：
这个图是一个简单的二进制加法器门电路，A/B/C分别是加法器的三个出入（两个加数和一个由低位进位的数），输出结果有两位，S是结果，C是进位。根据图上的路径可以看出来，要获得S和C，不同的信号通过的门电路个数和线路的长度是不同的，所以信号到达结果一端的时间可能是不同的。
如果信号频率特别大的时候，可能会导致前一个信号还没有完全通过线路，后一个信号就过来了，这会造成结果的混乱。
所以，信号的极限频率就是：要保证任何时间里，电路内只有一个脉冲信号通过。
这种规律也适用于CPU设计。
那么电信号通过的速度有多快？虽然导电的是电子，但CPU中工作的实际上是电场，电场的速度等于光速。所以极限频率就等于：1秒/电场通过芯片需要的时间，换算一下就光速除以芯片尺寸。
所以，功耗只是解决掉了发热的限制，并不能突破光速这个物理定律的极限。
以Intel i7 4790K为例，芯片的核心尺寸是177平方毫米，换算一下是大概是一个13毫米左右的正方型，那么电场通过这块芯片最快也需要4.333*10^-11秒，换算成主频就是23GHz，这也就是这块芯片的理论极限主频。
为什么芯片厂商都拼命缩小尺寸？功耗是一方面，重要的是能提升极限频率，极限频率跟芯片尺寸息息相关。
那么芯片极限频率能否达到1THz呢？至少以目前技术来说不可能。瓶颈不在功耗，而在芯片尺寸上。在电场速度（光速）的限制下，芯片达到1THz，就要求芯片尺寸小于0.3毫米，这么小的芯片，以现在的技术，还无法完全集成一个CPU的全部功能。
实际上1THz的东西不算新闻，THz级别的晶体管/二极管/开关电路早就有了，那么如果以THz晶体管设计的一些简单功能的电路（比如上面的加法器），超过100GHz完全没问题，甚至上THz都没问题。但放到整个芯片上的时候，因为延迟的原因，主频必然还是要降低到GHz的范围，所以理论上，毫米级大小的芯片，主频不会超过100GHz。
最后，超级计算机的计算能力虽然与单个计算节点的计算能力相关，但绝对不等于单个节点的计算能力。超算目前的发展方向是异构计算，CPU在超级计算机中并不负担特别大的计算任务，计算任务大多数都由GPU等计算模块完成。