Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:19 • sest 21:35 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 25:18 • Sest 04:56 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 07:07 • Síðdegis: 19:24 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 01:08 • Síðdegis: 13:14 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Tölvunarfræði

Eru einhver takmörk fyrir því hvað tölva getur orðið hröð?

Hjálmtýr Hafsteinsson

Sú sífellda hraðaaukning sem átt hefur sér stað í tölvum á síðustu áratugum gæti fengið okkur til að trúa því að hægt sé að auka hraða tölva endalaust. Þetta er þó líklega ekki tilfellið, því miðað við þá örgjörvahönnun sem þekkt er í dag þá munu ýmis eðlisfræðilögmál fara að setja hraða rökrása ákveðnar skorður. Í þessu svari skoðum við aðeins þau vandkvæði sem endanlegur hraði ljóssins veldur.

Hraði ljóssins er um 300.000 km/sek, en hraði rafeinda í vírum tölva er eitthvað aðeins minni. Til að setja þennan hraða í samhengi skulum við bera hann saman við tiftíðni nútíma örgjörva. Dæmigerð tiftíðni örgjörva í dag er 2GHz. Það þýðir að á einni sekúndu verða 2 þúsund milljón klukkutif, eða 2*109. Bilið á milli tveggja klukkutifa er þá 1 / 2*109, eða hálf nanósekúnda. Á hálfri nanósekúndu kemst ljósið um 15cm!



Ofurtölvur í eigu NASA

Þar sem klukkutif innan örgjörvans þurfa að berast um hann allan er ljóst að með aukinni tiftíðni þarf hann að verða smærri - til að allir hlutar hans nái að klára hverja aðgerð áður en næsta þarf að komast að. Hversu lítill getur örgjörvinn orðið? Það er ólíklegt að örgjörvi sem stendur undir nafni geti verið minni en nokkur þúsund sameindir á kant. Ef við segjum að ljósið (rafeindirnar) þurfi að fara í gegnum 1000 sameindir þá tekur það, á hraða ljóssins, um 10-15 sek. Tiftíðni slíks ímyndaðs örgjörva væri ein milljón GHz! Þetta er 500.000 sinnum meiri tiftími en nútíma örgjörva hafa. Ef við miðum við Lögmál Moores, sem segir að hraði örgjörva tvöfaldist á tveggja ára fresti (það eru reyndar til nokkrar útgáfur af þessu lögmáli), þá getum við ekki fengið nema 19 tvöfaldanir á tiftíðni, þar til við erum komin að þessum mörkum sem nefnd voru að ofan. Það eru því ekki nema í mesta lagi 38 (= 19*2) ár þar til klukkutíðni örgjörva getur ekki aukist meira!



Pentium 4 örgjörvinn nær tíðninni 3.8GHz

Auðvitað eru hlutirnir ekki eins einfaldir og ofangreindir útreikningur vilja vera láta. Lögmál Moores er ekki lögmál í skilningi eðlisfræðinnar, heldur þumalfingursregla sem hefur staðist nokkuð vel undanfarna áratugi, en þarf ekki endilega að halda í framtíðinni. Afkastageta tölva þarf ekki endilega að vera háð tiftíðni þeirra. Þannig hefur reyndar afkastaaukning undanfarinna ára fengist, en það má hugsa sér að hægt sé að nota aðra gjörvahönnun, til dæmis með því að láta gjörvann samanstanda af mjög mörgum örsmáum innri örgjörvum sem vinna saman að því að leysa verkefnin. Einnig hafa vísindamenn verið að rannsaka skammtatölvur, en um þær gilda nokkuð önnur eðlisfræðilögmál en um venjulegar tölvur. Sum þessara skammtafræðilögmála eru mjög sérkennileg við fyrstu sýn, en því miður hefur ekki enn tekist að smíða neina nothæfa skammtatölvu, þannig að ekki er víst að nein hraðaaukning komi úr þeirri átt.

Það eru því einhverjar líkur á því að innan örfárra áratuga muni örgjörvaframleiðendur reka sig á eðlisfræðilögmál sem þeir ráða ekki við. Hingað til hefur þeim þó tekist að hanna sig framhjá öllum slíkum vandamálum, þannig að ómögulegt er að segja hvað muni gerast.

Frekara lesefni af Vîsindavefnum:

Myndir:

Höfundur

Hjálmtýr Hafsteinsson

Hjálmtýr Hafsteinsson

dósent í tölvunarfræði við HÍ

Útgáfudagur

25.6.2002

Spyrjandi

Jósep Birgir Þórhallsson, f. 1985

Efnisorð

Tilvísun

Hjálmtýr Hafsteinsson. „Eru einhver takmörk fyrir því hvað tölva getur orðið hröð?“ Vísindavefurinn, 25. júní 2002. Sótt 25. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=2525.

Hjálmtýr Hafsteinsson. (2002, 25. júní). Eru einhver takmörk fyrir því hvað tölva getur orðið hröð? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2525

Hjálmtýr Hafsteinsson. „Eru einhver takmörk fyrir því hvað tölva getur orðið hröð?“ Vísindavefurinn. 25. jún. 2002. Vefsíða. 25. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2525>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Eru einhver takmörk fyrir því hvað tölva getur orðið hröð?
Sú sífellda hraðaaukning sem átt hefur sér stað í tölvum á síðustu áratugum gæti fengið okkur til að trúa því að hægt sé að auka hraða tölva endalaust. Þetta er þó líklega ekki tilfellið, því miðað við þá örgjörvahönnun sem þekkt er í dag þá munu ýmis eðlisfræðilögmál fara að setja hraða rökrása ákveðnar skorður. Í þessu svari skoðum við aðeins þau vandkvæði sem endanlegur hraði ljóssins veldur.

Hraði ljóssins er um 300.000 km/sek, en hraði rafeinda í vírum tölva er eitthvað aðeins minni. Til að setja þennan hraða í samhengi skulum við bera hann saman við tiftíðni nútíma örgjörva. Dæmigerð tiftíðni örgjörva í dag er 2GHz. Það þýðir að á einni sekúndu verða 2 þúsund milljón klukkutif, eða 2*109. Bilið á milli tveggja klukkutifa er þá 1 / 2*109, eða hálf nanósekúnda. Á hálfri nanósekúndu kemst ljósið um 15cm!



Ofurtölvur í eigu NASA

Þar sem klukkutif innan örgjörvans þurfa að berast um hann allan er ljóst að með aukinni tiftíðni þarf hann að verða smærri - til að allir hlutar hans nái að klára hverja aðgerð áður en næsta þarf að komast að. Hversu lítill getur örgjörvinn orðið? Það er ólíklegt að örgjörvi sem stendur undir nafni geti verið minni en nokkur þúsund sameindir á kant. Ef við segjum að ljósið (rafeindirnar) þurfi að fara í gegnum 1000 sameindir þá tekur það, á hraða ljóssins, um 10-15 sek. Tiftíðni slíks ímyndaðs örgjörva væri ein milljón GHz! Þetta er 500.000 sinnum meiri tiftími en nútíma örgjörva hafa. Ef við miðum við Lögmál Moores, sem segir að hraði örgjörva tvöfaldist á tveggja ára fresti (það eru reyndar til nokkrar útgáfur af þessu lögmáli), þá getum við ekki fengið nema 19 tvöfaldanir á tiftíðni, þar til við erum komin að þessum mörkum sem nefnd voru að ofan. Það eru því ekki nema í mesta lagi 38 (= 19*2) ár þar til klukkutíðni örgjörva getur ekki aukist meira!



Pentium 4 örgjörvinn nær tíðninni 3.8GHz

Auðvitað eru hlutirnir ekki eins einfaldir og ofangreindir útreikningur vilja vera láta. Lögmál Moores er ekki lögmál í skilningi eðlisfræðinnar, heldur þumalfingursregla sem hefur staðist nokkuð vel undanfarna áratugi, en þarf ekki endilega að halda í framtíðinni. Afkastageta tölva þarf ekki endilega að vera háð tiftíðni þeirra. Þannig hefur reyndar afkastaaukning undanfarinna ára fengist, en það má hugsa sér að hægt sé að nota aðra gjörvahönnun, til dæmis með því að láta gjörvann samanstanda af mjög mörgum örsmáum innri örgjörvum sem vinna saman að því að leysa verkefnin. Einnig hafa vísindamenn verið að rannsaka skammtatölvur, en um þær gilda nokkuð önnur eðlisfræðilögmál en um venjulegar tölvur. Sum þessara skammtafræðilögmála eru mjög sérkennileg við fyrstu sýn, en því miður hefur ekki enn tekist að smíða neina nothæfa skammtatölvu, þannig að ekki er víst að nein hraðaaukning komi úr þeirri átt.

Það eru því einhverjar líkur á því að innan örfárra áratuga muni örgjörvaframleiðendur reka sig á eðlisfræðilögmál sem þeir ráða ekki við. Hingað til hefur þeim þó tekist að hanna sig framhjá öllum slíkum vandamálum, þannig að ómögulegt er að segja hvað muni gerast.

Frekara lesefni af Vîsindavefnum:

Myndir:...