最近のマイコンの技術（1GHzで30cm）

Question

いつもお世話になります。
コンピュータの技術者の方にお伺いします。
最近のスパコンはマイコンを幾つも搭載したりしてますよね！
前々から思っていたのですが
最近のマイコンの進化にはびっくりしますがマルチコアとかマルチスレッドに走っている一つの要因は電気の伝搬速度がそろそろ限界にきているからだと私は思っています。

1GHzでわずか約30cmの電気信号の伝搬速度で2GHzになればその半分ですよね！
正直、15cmのパターン引き回し何てざらですよね！

そう言う意味で高クロック化はそろそろ限界でマルチ化が進んだ。
また、電気伝搬速度的な制約があるために周辺機器に合わせるためにクロックを変化させたりしているように思います。

私のそういうマイコンの進化の認識って合っていますか？
私は若い時、クロックがMHz時代のマイコン（68系・8bitsですが）は勉強したことがあります。
向学のため、宜しくご教授ください。

ybnormal · Accepted Answer

もともと一本のパイプラインで処理していたがそこからさらに並列性を上げようとして90年代に流行ったのがスーパースカラです。スーパースカラではパイプラインを複数持たせることにより並列性をあげて性能を上げてきたのですが、この並列性にも限界がありました。性能シミュレーションでは4命令から6命令程度の同時実行であればかける物量に見合うだけの性能向上があるが、それ以上の並列性を持たせても性能向上がほとんどなくなることがわかっていたので、そこでスーパースカラによる並列実行の限界があったわけです。で、そこからさらに並列性を上げようとして出てきたのが、マルチコアとマルチスレッドです。高クロック化と時期的に重なっているので、高クロック化の限界がマルチ化を生んだように見えますが、スーパスカラからマルチコア、マルチスレッドへの移行は並列実行の進化としてはごく自然な流れであまりクロック周波数の限界とは関係ないでしょう。それよりも半導体プロセスが進んでトランジスタサイズが小さくなり、より多くの論理をチップ上に詰め込めるようになったことが最大の理由です。実際マルチスレッドは90年代の後半くらいに話はありましたが、当時の半導体プロセスではそれだけの論理を詰め込めなかったので実現されていなかっただけです。
こういう話はマルチスレッド、マルチコアにかかわらず常にあります。
80年代にはMPUにはキャッシュやTLBなどは量的な制限のため搭載できませんでした。やがてトランジスタが小さくなり、キャッシュやTLBが載るようになり、演算器の数を増やしてスーパースカラにし、Out of orderや投機実行をするための論理も１チップ上に載せることができるようになったわけです。マルチスレッドなどもその延長で、結局は半導体プロセスの進化に強く依存しています。

まあクロック周波数が限界にきているのはその通りだと思いますが、ふつうはラッチ間の距離はゲートを含めてせいぜい数ミリだし、タイムボローイングのようなこともしているので、伝搬距離は最大の要因ではないのではないかと思ういます。それよりもクロックの制御が難しいからでしょうね。３GHｚだと333psの周期で、こんなチップを正常に動作させようとすると、全プロセスコーナで思った通りの動作するきわめて性能のいいPLLとスキューの小さいクロックツリーが必要で、設計はかなり難しいと思います。

クロック周波数を変化させるのはマイクロプロセッサの場合は電力消費を抑えるためです。

TXV12003 · Answer

>1GHzでわずか約30cmの電気信号の伝搬速度で2GHzになればその半分ですよね！

1GHzでも２GHｚでも伝播速度は一定です。
ただし基板の比誘電率によって波長短縮率が異なります。
基板上の伝搬速度＝光速×波長短縮率となります。

wormhole · Answer

>そう言う意味で高クロック化はそろそろ限界でマルチ化が進んだ。

詳細は省きますが簡単にいえば、高クロック化していったら発熱がとんでもないことになったからマルチコアに進んだかと。
「リーク電流」を調べて見るといいかもです。

>また、電気伝搬速度的な制約があるために周辺機器に合わせるためにクロックを変化させたりしているように思います。

CPUのクロックが変化することでしょうか。
もしそうなのであれば、仕事をしていないときに電力消費を抑えるためです。

Tasuke22 · Answer

失礼ながらマイコンという言葉は死語ではないかと思います。
マイクロコンピュータの略ですが、今はマイクロという単位ではありませんから。
ある一時期の技術単位を名前に盛り込んだ言葉は死語化が早いです。
それに話題の内容はプロセッサです。
マイコンはマイクロプロセッサを積んだコンピュータという意味になりますので
話の内容と一致しません。
「マイコンの進化」のところは単に「CPUの進化」という言葉が適切だと思います。

30cmという長さは、1ピコ秒で光が進む距離ですね。
それと1GHzの関係がよく分からないのですけども。

私は高クロック化の一番の敵は発熱と認識しています。
CPUの製造プロセスは短くなり、今では28ナノメートルでしょうか、
1つのCPUに10億個以上の半導体が乗っている時代です。
漏電が防げなくて高クロックで動作すると発熱が酷いことになります。
それでも漏電を少なくする技術も進んでいるのですが。

Intelが高クロック化に躍起になっていた頃、AMDが1Hz辺りの仕事量を増やす
CPUを作り出し、ベンチマークテストで高クロックのCPUを負かすという快挙を
成し遂げました。
その後、IntelはAMDの技術者を引き抜き、同じ路線のCPUを出しましたが、
それがPentuimからCore2というCPUの変化です。
今ではCore iシリーズが出て、それも何世代か進化し、私もついて行けなくなりましたが。

確かにCPU自体はマルチコア化しています。
これは、OSがマルチスレッドで動作しているので、マルチコア化は大きな意味があるでしょう。
MS-DOS時代と比較してOSも進化している訳です。
私もデスクトップPCやスマホが4コアですが、動作に引っかかる所が無くスムースです。

さらにモニタ表示用のGPUを計算に利用する技術が進んでいます。
GPUは単純な計算をするだけのプロセッサが128個とか256個とか並んでいて、
計算内容もスーパーコンピュータで計算できるようなものしか行えません。
つまり画像の加工とか、動画のエンコードとか、同じパターンの計算が大量に発生する
仕事において利用できます。
その他、色々な問題を計算できますが、スーパーコンピュータと同等の計算アルゴリズムを
必要とするので、利用は非常に高度のソフトウェア技術を要します。

CPUが周辺機器の速度に合せる必要性は全くありません。
昔から、CPUと周辺機器の速度差は動物と植物程度の差があり、かけ離れています。
ですので周辺機器が動いている間は、CPUは制御せず、周辺機器が一定動作を終える度に
CPUに割り込みとい動作を与えて、次なるCPUの制御を待つ、という仕組みです。
上司と部下と思えば、部下が仕事をしている間は干渉せず、部下から報告が来たら、
次なる指示を与える、という訳です。
勿論、一定時間部下から報告が来なければ、どうした？という質問は出します。
この「割り込み」の仕組みが周辺機器の速度を気にしなくてCPUの性能を自由にアップできる訳です。

CPUが設計上意識しているのはメモリとバスの速度でしょう。
それはCPU内のキャッシュという技術で補っています。
今のCPUは3次キャッシュまで持っています。

しかしメモリも速くなり安くなりましたね。
マイコンからパソコンに変わって暫くした後で、1MBが10万円という価格でした。
1GBですと1億円ですよ。
私のデスクトップPCには32GBを積んでいるので32億円ですねえ…くらくら
それをメモリが底値の時に買ったので2万円しませんでした。

システムはそのボトルネックの改善は効果的です。
PCの速度のボトルネックは今はHDDでしょう。
その点、SSDが出てかなりよくなっています。
SSDもS-ATAインターフェースのものから最近ではPCI-Expressのものまで出て、
シリアルリードでHDDが200MB/S以下が限界ですが、カタログ値が800MB/Sとか
出ています。
実際に導入してOSをインストールしてデータ量がある程度になっている状態では
600MB/S出ませんでしたが。それでもHDDの3倍です。

RAM-Disk用にメモリを大きくしましたが、PCI-EのSSDの搭載で利用が面倒な
RAM-Diskを使う気が失せています。

マイクロプロセッサが出た当時、既に汎用コンピュータもスーパーコンピュータも世にあった訳で、それらと比較すると、マイクロプロセッサはおもちゃにしか見えませんでした。
メモリ空間が640KBなど最初から頭痛のタネを作ってどうするのか？と思ったものです。
パソコンになった当時も2MBに拡張されましたが、その仕組は超難解でしたね。
根本を正せばシンプルになるのに、難解にして自慢話が雑誌に出てたりすると、本当に頭痛がしました。
割り込みの概念も汎用コンピュータでは常識でしたし、マルチCPUもあった訳です。
ところが、今のPC用CPUは当時の汎用コンピュータなどを凌駕していると言えるでしょう。

TXV12003 · Answer

>伝達距離です。
>半分の時間だから半分ですよね！

一定時間に信号が進む距離も変わりません。

空気の比誘電率はほぼ1なので、仮に部品間の配線を空中配線にしたら、ほぼ光の速さで伝わります。
この場合、1GHzでも2GHzでも、10億分の1秒に進む距離は、どちらもおよそ30cmです。
エポキシ樹脂を使った基板の場合、比誘電率は0.45前後なので、13～14cmとなります。これも1GHz、2GHzとも同じ距離です。

kngj1740 · Answer

ですからＣＰＵ内部だけ高速化してる訳です。内部なら１cm位に収まりますから。ＣＰＵ外部とのやり取りは速く出来ません。マルチコア化はこれ以上クロックを上げると発熱を処理できないからです。これ以上の高クロック化を諦め、マルチコアへと方向転換したわけです。

kiyomac#1 · Answer

クロック1GHZで『電子』が移動出来る距離は33センチ/秒ですね。（300/1000）

一番低速なのはHDDでシリアルで1.5Gbpsの転送速度帯域
クロック周波数はCPUとHDD等では周波数を変えています。

MHz時代のCPUに使われたメモリは接続回路パターンはチップの
場所に依って『長さ』が違ってますが、速度UPに伴いすべての長さ
が同じに成ってます。
インテルCPU（PC）の動作は『ハード割り込み』を使い普段はCPUがフル動作し、
割り込みが有った時に制御を割り込み先に移します。
68系（Mac）はソフトウエア割り込みでCPUが一定間毎に確認をする方法
を使ってます。
その昔PCを使っていた時FDをイジェクトしてのを忘れて保存出来なかった
と言う話も有りましたな。
そう言う時に限ってオリジナルが見つから無い時が・・・・・・・・

Tacosan · Answer

「1本の信号線上に複数のデータがのる」こと自体は問題じゃないです. なので, クロック周波数が直接配線長に影響するわけではありません. もちろん配線を長くするとレイテンシーが大きくなるので好ましいことではありませんが, 逆にレイテンシーが大きくなることを覚悟すれば (そういう仕様にすれば) 配線長は長くすることができます.

余談ですが, 「電子が」電線の中を走る速度などたかが知れています＞#6.

TXV12003 · Answer

No.6です。

>私は若い時、クロックがMHz時代のマイコン（68系・8bitsですが）は勉強したことがあります。

懐かしいですね。
私も、同じ時期だと思いますが、高校の頃、Z80Aを使ったマイコン回路を自作していました。
やっていたことは、本当に自己満足レベルで、アマチュア無線機の音声出力をフィルタ回路を介して接続したマイコンボードでモールス解読などをしていました。
今はPICマイコンを使っています。当時と同じことを簡単にできるようになり便利になりましたね。

>1/1GHzと1/2GHzは同じ時間でしょうか？

周波数の逆数は時間ではなく波長です。もしその68系のマイコン回路やロジック回路を自作なさったことがあれば、ワンショットのパルスの伝送を考えてみると分かりやすいと思います。

ロジック回路間の信号伝送は主に矩形波ですが、例えば矩形波の立ち上がりエッジが受信側に到達するまでの時間は、1GHzでも2GHzでも変わりません。

問題は、波長ではなく、伝送距離が長いと同期のための待ち時間が生じてしまうという点と、発熱の問題です。

例えば、CPUが2つあって、片方の処理結果がでない限りもう片方が処理に入れない場合や
またはCPUがたくさんあって、全部の処理結果が出ないと次の処理に移れない場合などは、
それぞれの伝送距離が異なると、処理内容が平等でも、一番伝送距離の長いCPUの結果が出るまで待ちが発生します。

たとえCPUを一つのダイにまとめてしまうと、高集積化の限界が来ている以上CPUをたくさん接続したのと同じ問題が発生してしまうことになるでしょう。
でも、一番大きな問題は発熱だと思います。ただでさえ、巨大なヒートシンクや冷却ファンを付けないといけないのに…。

※なお、電子の移動速度は非常に遅く秒速数ミリ程度です。

wormhole · Answer

>MPUのTjは100℃前後はざらですし発熱が問題なのは承知しています。

「リーク電流」については調べられましたか？
おそらく想像されている「発熱」とは異なると思いますよ(クロックを上げたら発熱するとかいう話ではないです)。

最近のマイコンの技術（1GHzで30cm）

>1GHzでわずか約30cmの電気信号の伝搬速度で2GHzになればその半分ですよね！

この回答への補足

>そう言う意味で高クロック化はそろそろ限界でマルチ化が進んだ。

失礼ながらマイコンという言葉は死語ではないかと思います。

>伝達距離です。

この回答への補足

ですからＣＰＵ内部だけ高速化してる訳です。

クロック1GHZで『電子』が移動出来る距離は33センチ/秒ですね。

No.6です。

もともと一本のパイプラインで処理していたがそこからさらに並列性を上げようとして90年代に流行ったのがスーパースカラです。

この回答への補足

>MPUのTjは100℃前後はざらですし発熱が問題なのは承知しています。

似たような質問が見つかりました

関連するカテゴリからQ&Aを探す

デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング

マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング