Sind wir bald an der Grenze der Physik bei der CPU Fertigung?

[Sortepermand]

Hallo Zusammen,

Wie schnell können eigentlich Prozessoren noch werden? Ich denke dass die kürzlich veröffentlichen AMD 3000er Ryzen CPUS mit Ihren 7nm fast an der Grenze des möglichen Sind was Physikalisch machbar ist.

Nach folgendem Video: Wie schnell können Prozessoren noch werden?

Das Video ist von 2016 und da wird schon gesagt das man fast an der Grenze sei. Also wie darf Ich das dann verstehen dass wir mit den 7nm an der Grenze sind oder in den nächsten 5 Jahren an die Grenze des möglichen der Physik in der Chip/CPU Fertigung kommen werden. Also können CPUS dann irgendwann nicht mehr schneller werden bzw Leistungsfähiger? Aber was meint Ihr?

 

[Donnidonis]

Wie schnell können eigentlich Prozessoren noch werden? Ich denke dass die kürzlich veröffentlichen AMD 3000er Ryzen CPUS mit Ihren 7nm fast an der Grenze des möglichen Sind was Physikalisch machbar ist.

Die Strukturgröße hat erst einmal garnichts mit der Geschwindigkeit zu tun.

Und 7nm sind auch keine 7nm, da ist schon noch einiges drin. Zusätzlich wird an neuen Materialien geforscht etc.
Sicher hat man vor 20 Jahren auch schon mal gesat: Ouh, wir sind bald am Ende.

 

[Narbennarr]

Ich weiß es noch wie gestern als der Pentium 4 kam "mehr geht bald nicht mehr"

 

[xexex]

Sicher hat man vor 20 Jahren auch schon mal gesat: Ouh, wir sind bald am Ende.

Nun sind wir aber am Ende.
https://semiengineering.com/transistor-options-beyond-3nm/

Auch wenn man mit EUV nun dem Ganzen noch einen Aufschub gegeben hat, die Strukturen selbst können schlichtweg nicht mehr wesentlich kleiner werden. Dafür steigen die Kosten und fällt der Nutzen weiterer Shrinks immer weiter ab.

 

[Axxid]

Man hat schon vor Jahrzehnten vorausgesagt, dass man bald das Ende von zig Dingen erreicht hat (Erdöl zBsp.)
Wenn man nicht mehr kleiner werden kann, wird man andere Wege finden um mehr Leistung zu erreichen.
Seit Jahren wird darauf hin gearbeitet, mehr zu parallelisieren. So kann man dann auch in zwanzig Jahren noch mehr Chips 'zusammenkleben' (Zitat Intel).

 

[McTheRipper]

Wir sind sicherlich an einer Grenze angelangt was die reine Taktfrequenz angeht, die magische 5GHz Grenze wird nicht so leicht hinter sich gelassen wie man sieht.
Ja der Ausweg ist dann in der Tat die Parallelisierung.

 

[Zeekuma]

Die Reale Struktur grösse wird seit Jahren nicht mehr gesagt. Weil nur ein Teil der Fertigung in 7nm läuft, wenn überhaupt.
Bei vielen wird eine Verbesserung in der Struktur auch gesagt, das sie Strom Spart „wie“ xx NanoMeter.

 

[Knito]

Also können CPUS dann irgendwann nicht mehr schneller werden bzw Leistungsfähiger? Aber was meint Ihr?

Theoretisch gibt es keine Grenze, da, wie jetzt auch schon, einfach immer mehr Cores dran geklebt werden können.
Ich schätze die Struktur kann noch 30-40 Jahre verbessert werden, eher sehen wir vorher das Ende der x86 Kompatiblen.
Um 2070 sehen wir (oder eher ihr, ich dann wahrscheinlich nicht mehr ) dann brauchbare Qbit-Prozessoren.

Allerdings wird sich die zukünftige Entwicklung nicht mehr zu Hause abspielen. Alles geht in die Cloud.

 

[Baal Netbeck]

Die Strukturgröße hat erst einmal garnichts mit der Geschwindigkeit zu tun.

Jain....eine wirklich kleinere Strukturgröße hat kürzere theoretische Schaltzeiten.....geringere Gatekapazität ist schneller "aufgeladen" und kürzerer Abstand von gate zu drain bedeutet eine kürzere Laufzeit.

Leider sind die nm Angaben ja nicht mehr wirklich mit der Strukturgröße verknüpft.

Also wie darf Ich das dann verstehen dass wir mit den 7nm an der Grenze sind oder in den nächsten 5 Jahren an die Grenze des möglichen der Physik in der Chip/CPU Fertigung kommen werden. Also können CPUS dann irgendwann nicht mehr schneller werden bzw Leistungsfähiger? Aber was meint Ihr?

Das kommt darauf an, wie klein die Strukturgröße wirklich ist....aber ja wir kommen bald in Regionen, wo die Strukturen nicht mehr kleiner werden können....da sind wir scheinbar noch nicht ganz, aber ewig geht das nicht weiter.

Und um so kleiner die Strukturen, um so mehr Leckströme hat man auch...um so schwerer ist die hardware zu kühlen wie man ja jetzt auch an den 7nm CPUs sieht.

Man kann die Chips noch aufwendiger fertigen.....Mehr Chips nebeneinander und vor allem übereinander.....man sieht ja jetzt auch bei AMDs 7nm und Intels 10NM, wie beide versuchen die IPC hoch zu bekommen um nicht mehr auf die energiefressenden Frequenzen angewiesen zu sein.

 

[KnolleJupp]

Natürlich lässt sich mit geeigneten Materialien und Belichtungsmethoden die Strukturbreite noch weiter verkleinern.

Irgendwann ist die Minaturisierung aber zu Ende und kommt an eine natürliche, physikalische Grenze, weil dann auf atomarer Ebene Effekte auftreten, die ein Funktionieren solcher elektrischer Schaltungen unmöglich machen. Das hat dann auch nichts mit den eingesetzen Materialien oder der Fertigungsart zu tun. Man kann Transistoren eben nicht unendlich verkleinern.

Um das Problem zu umgehen, sehen wir seit Jahren die Tendenz zur Parallelisierung. Statt einem Rechenwerk finden wir heute 8, 16, 32 und noch mehr Cores auf den CPUs.
Das bringt aber nur dann einen Geschwindigkeitsvorteil, wenn die Software auch in der Lage ist ihre Aufgaben in mehrere, parallele Threads aufzuteilen. Das ist je nach dem nicht immer möglich.

Irgendwann muss man sich von der altehrwürdigen x86 Architektur verabschieden und was völlig neues entwickeln, was dann schon in sich eine Leistungssteigerung ergibt, unabhängig von der Strukturgröße.
Nur würde das bedeuten das die heutige Software da nicht mehr drauf laufen würde.

Dann ist natürlich die Frage wie schnell ein Computer überhaupt sein muss. Denn die Software muss am Ende in der Lage sein die Leistung auch auszunutzen.
Ein Auto das 500km/h fahren würde, könntest du im Alltag nicht ausfahren. Da muss dann auch alles drum herum passen.

Und für Spezialaufgaben wird es spezialisierte Systeme geben, die weniger breit ausgelegt sind in ihrem Anwendungsbereich.

Quantencomputer, die mit Qubits rechnen, eignen sich z.B. hervorragend zur Faktorisierung von Zahlen (z.B. Cryptographie) oder für Such-Algorithmen. Für normale Aufgaben sind sie schlicht ungeeignet.
Auch weil Quantencomputer prinzipbedingt nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein korrektes Ergebnis berechnen.

Oder GPGPU ist so ein Spezialfall, in dem Grafikprozessoren zur Berechnung eingesetzt werden. Diese sind prinzipbedingt aber auch nur für ein begrenzes Aufgabengebiet brauchbar.

 

[entropie88]

https://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz

Schneller wird es danach dann eben durch mehr IPC, zb implizite mehrfädigkeit.

 

[Mickey Mouse]

ich habe Ende der 80er Jahre während meines E-Technik Studium auch die Vorlesung "Design integrierter Schaltungen" gehört.
da wurde uns noch beigebracht, dass man sich jetzt (wie gesagt, Mitte bis Ende der 1980er) bei den Strukturen der magischen 1µm (Mikrometer = 1000nm) Grenze nähert und diese niemals unterboten werden kann, weil man da ja in den Wellenlängenbereich des Lichts kommt.

und wie oft habe ich danach immer wieder gehört: JETZT ist aber definitiv(!), garantiert(!), ganz wirklich das Ende der Fahnenstange erreicht und jetzt kann es nun wirklich nicht mehr kleiner werden.

ok, "jetzt" sind wir meines Wissens nach bei unter 10 Atomlagen im Kristallgitter angelangt. Und auch hier wird sich wieder irgendwie eine Tür öffnen. Es wird nicht "genauso" weitergehen, vielleicht kommen die Quanten-Computer oder doch etwas ganz anderes, aber ich bin mir inzwischen sicher, dass irgendwas kommen wird, das haben die letzten 30 Jahre, in denen ich das Geschehen aktiv verfolgt habe immer wieder gezeigt.

 

[KnolleJupp]

Das Mooresche "Gesetz" ist aber keine physikalische Gesetzmäßigkeit, sondern eine grobe Faustformel, abgeleitet aus der bisherigen Mikroprozessor-Entwicklung.

Was die Leistungsfähigkeit unserer heutigen Rechnersysteme auch einschränkt, ist ihr Prinzip des Sequentialismus. Alles läuft intern über gemeinsame Bussysteme, die irgendwann am Limit sind.
z.B. die Anbindung der CPU an den Arbeitsspeicher oder an den Chipsatz. Dort noch höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen, ist nicht ganz einfach.
Das PCIe 4.0 auf älteren Platinen nicht sauber läuft, ist ein Beispiel dieses Flaschenhalses.

Wir brauchen also zukünftig bzw. langfristig nicht nur eine ganz neue Prozessorarchitektur, ohne das alte und bremsende aus Kompatibilitätsgründen immer wieder mitzuschleppen,
sondern auch einen neuen, moderneren Aufbau eines Rechnersystems.

 

[Sortepermand]

sondern auch einen neuen, moderneren Aufbau eines Rechnersystems.

Oder eben Quanten Physik/Computertechnik.

aber bis dahin is ja noch jede menge Zeit und wir können uns hoffentlich weiter an immer schnelleren CPU und GPU Genrationen erfreuen

 

[KnolleJupp]

Quantencomputer sind - wie ich schon ausführte - nicht für allgemeine Aufgaben, wie sie z.B. dein Rechner zu Hause erledingt, geeignet.
Sie können wenige bestimmte Rechenoperationen um ein Vielfaches schneller durchführen als herkömmliche Rechner, versagen aber bei anderen, banalen Dingen völlig.
Quantencomputer werden kein zukünftiger Ersatz für "Personal Computer". Außerdem würde ich keinen Rechner haben wollen, der nur zufällig richtig rechnet...

 

[Sortepermand]

Und um so kleiner die Strukturen, um so mehr Leckströme hat man auch...um so schwerer ist die hardware zu kühlen wie man ja jetzt auch an den 7nm CPUs sieht.

Also um so Größer die Fertigung um so besser? Rein aus Temp sicht?

Ergänzung (3. August 2019)

@KnolleJupp Sehr Informative wo hast du dir das ganze Wissen angeeignet? Wenn du sowas nicht beruflich machst in der Richtung Respekt.

Und Danke an ALle ist sehr Informative und sehr Interessant zu lesen

 

[KnolleJupp]

Mit Temperatur hat das nichts zu tun.
Je größer bzw. gröber die Strukturbreite, desto weniger musst du dich mit unerwünschten Nebeneffekten herumplagen und desto unanfälliger für äußere Störeinflüsse ist das ganze.

Nun, es gibt so was wie Wikipedia...

 

[Sortepermand]

@KnolleJupp Sehr Informative wo hast du dir das ganze Wissen angeeignet? Wenn du sowas nicht beruflich machst in der Richtung Respekt. Und kla gibt es Wikipedia aber hier wird das einem so schön verständlich erklärt

Und Danke an ALle ist sehr Informative und sehr Interessant zu lesen

 

[WinnieW2]

Ich denke dass zumindest so lange Chips auf Siliziumbasis produziert werden wir keine signifikanten Steigerungen bei der Taktfrequenz von CPUs mehr sehen werden.

AMD bzw. TSMC hängt selbst bei den 7 nm Chips bei 4,5 GHz fest. Intel hängt bei seinen 10 nm Chips derzeit wohl bei 4,1 GHz fest.
Wobei die Zahlen eigentlich nur Namen sind und keine wirklichen Abmessungen. Dennoch lassen Strukturverkleinerungen wohl keine Steigerung der Taktfrequenz mehr zu.
Die Chips werden einfach zu heiß. Hotspots werden zu einem immer bedeutenderem Problem.

Im Mainstreambereich wird wohl bei ~5 GHz Feierabend sein.

 

[Mickey Mouse]

man kann das nicht so eindimensional sehen...
bei kleineren Strukturen hat man auch kleinere Flächen und Wege. Klar gibt es da Probleme mit der Verlustleistung. Auf der anderen Seite sinken aber auch die (parasitären) Kapazitäten und Induktivitäten.
und man muss sich mal folgendes vor Augen führen:
die elektrischen Signale breiten sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus, ok, vielleicht nur 1/2 ... 2/3 aber zumindest in der Größenordnung von 300.000.00m/s. Das klingt erstmal nach wahnsinnig viel. Aber 5GHz sind auch "wahnsinnig viel" und da dauert ein Takt nur 0,2ns (Giga wird bei 1/x zu Nano -> 5 Giga Takte pro Sekunde = 1/5 Nano Sekunden pro Takt) und in dieser Zeit kommt selbst das Licht nur 6cm voran. Wie gesagt, in der Realität schafft der Strom in einem Halbleiter nicht ganz Lichtgeschwindigkeit.
Man sieht daran, dass man auch mit einem asynchronen Design bei diesen Geschwindigkeiten Probleme mit den Laufzeiten der Signale auf den "riesigen" Dies bekommen kann, wenn ein Signal von einer Ecke des Chips zur anderen muss, dann ist es einen halben Takt unterwegs.
Diese Taktfrequenzen von maximal ca. 5GHz bei den Die Größen von über 1cm Kantenlänge kommen nicht von ungefähr.