最近のマイコンの技術（1GHzで30cm）

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。

No.7 回答者： Tacosan 回答日時： 2014/07/31 12:48

「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.

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。

>「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.

他の部分は理解できるのですがこの部分が理解できません。
ケーブル的なシリアルデータの送受信の話なら理解できますが違う話であれば理解できますが、単純に考えてデータバスに複数のデータは載せられないと思います。
何をおっしゃりたいのか私に分かり易く教えて頂けませんか？
もしくは関連サイトを教えてください。

>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.

電気信号は便宜上、媒体を無視すれば光の速度で考えていいと思いますが確かに電子１個の個体はそんなに早く移動している訳では無い事は理解しています。

お礼日時：2014/07/31 19:20

No.6 回答者： kiyomac#1 回答日時： 2014/07/31 08:53

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・・・・・・・・

この回答へのお礼

回答有難うございました。

パターンの話しなど参考になるご意見痛み入ります。
シリアルであればバッファに書き込んでシリアルでMPUとは別に処理するのが普通ですよね！
有難うございました。

お礼日時：2014/07/31 12:50

No.5 回答者： kngj1740 回答日時： 2014/07/31 08:29

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。

この回答へのお礼

回答有難うございます。

私としては一番、納得がいき、シンプルな回答です。
ところで、発熱を克服できればMPUの動作クロックは一体どれ位まで上がると思いますか？
それとこのご意見は一般論と言えるでしょうか？

重ねて、有難うございました。

お礼日時：2014/07/31 12:42

No.4 回答者： TXV12003 回答日時： 2014/07/31 08:02

>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。

この回答への補足

皆さま、TXV12003さん始め早々の回答有難うございます。
概算でデリケートな質問をしてしまい済みません。

お礼はじっくり時間を見て熟読して回答させて頂きます。
本質にかかわる事なので補足させて頂きます。
ガラスエポキシ基板を仮定して0.46倍までは理解しています。
1/1GHzと1/2GHzは同じ時間でしょうか？
1クロックで伝搬される距離を問題視しているのですが…
2GHzでは約7cmとなり益々、不利になると思いますが…

波長短縮
↓↓
http://基板設計.jp/%E6%B3%A2%E9%95%B7%E7%9F%AD%E7%B8%AE/

お礼はあらためてさせて頂きます。
取り急ぎ以上補足させて頂きます。

補足日時：2014/07/31 09:02

この回答へのお礼

回答有難うございました。

お礼日時：2014/07/31 12:31

No.3 回答者： Tasuke22 回答日時： 2014/07/31 07:54

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。

この回答へのお礼

回答有難うございます。

私は大型コンピュータを論ずる気は無いのでCPUの進化には出来かねます。
大型では無い事をイメージするためにマイコンとしました。
百歩譲って、MPUの進化ですね！

>30cmという長さは、1ピコ秒で光が進む距離ですね。

私の計算が正しければ1ns（1ナノ秒）のはずですが…
大まかに言われている電気の伝搬速度です。
回答１で指摘がありましたが正確には媒体の誘電率などの計算が必要です。

他の部分に関しては既知のことも有りましたが知らない事も有り参考になりました。
有難うございます。

お礼日時：2014/07/31 12:30

No.2 回答者： wormhole 回答日時： 2014/07/31 07:26

>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。

この回答へのお礼

回答有難うございます。

>CPUのクロックが変化することでしょうか。

元々、周辺機器とMPUはウサギとカメでしたね！
昔習ったのを忘れていました。
また、発熱を抑えるためにMUPのマウント方法が変わったとか聞いたような覚えがあります。
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。

参考にします。有難うございました。

お礼日時：2014/07/31 12:19

No.1 回答者： TXV12003 回答日時： 2014/07/31 05:32

>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。

この回答への補足

>1GHzでも２GHｚでも伝播速度は一定です。

おっしゃるとおりでした。
済みません。間違いました。
伝達距離です。
半分の時間だから半分ですよね！
光とはちょっと違って実際にその電子ではなく電気信号が伝わっているだけすが…

補足日時：2014/07/31 07:38

この回答へのお礼

回答有難うございます。
MPUレベルだとケイ素の誘電率が問題になるでしょうか？
この辺の計算は随分昔にやっていたもので忘れましたがケイ素の誘電率は3.5～5.0でガラエポ基盤と大して変わりません。
概算で（ガラエポ）基盤やチップ内でもおおよそ光の半分の伝搬速度で合っていると思います。
言葉足らずでご迷惑おかけいたしました。

お礼日時：2014/07/31 12:11