Wieso ist die CPU eines PCs so klein?
Wenn man mal den Deckel einer normalen CPU entfernt, sieht man, dass der eigentliche Chip darunter sehr klein ist. Wieso macht man den nicht einfach größer, z.B. so groß wie das Mainboard? Dann hat man viel mehr Rechenkraft. Genauso mit dem Chip der Grafikkarte.
8 Antworten
Die Herstellung von Integrierten Schaltkreisen ist ziemlich teuer und geschieht auch nicht fehlerfrei. Dementsprechend ist auch die Chipfläche teuer und je größer, desto höher der Ausschuss. Dazu kommen eine Reihe weiterer Probleme: Kühlung, Verzögerung durch verhältnismäßig lange Leitungen (Leitungen erzeugen eine größere Verzögerung, als die Logikgatter selbst).
Der größte, mir bekannte, kaufbare Chip ist aktuell ein FPGA von Xilinx, mit 6,5cm Kantenlänge: https://www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/xilinx-stellt-das-groesste-fpga-der-welt-vor-168500.html
Kostet nur schlappe 42.700€
Ich habe gehört, dass es zur Kühlung mittlerweile schon Chips gibt, die Mikro-Kanäle für Kühlflüssigkeit haben und das auch an optischer Übertragung innerhalb von Chips geforscht wird.
Was bleibt ist immer noch ein Problem der Parallelisierbarkeit: Mehr "Rechenkraft" bringt nur bedingt etwas, das Programm muss es auch unterstützen, mehrere Prozessoren zu nutzen. Auf der anderen Seite sorgen Verzögerungen für eine geringer maximale Taktgeschwindigkeit.
Die ersten "binären Rechenoperatoren" bestanden zunächst aus Elektronikröhren , und später aus Relais' . Für 128.000 Schaltkreise benötigte man dann gleich eine kleine Halle und eine Energieeinspeisung , die für hunderte bis tauesende Privathaushalte reichen würde.
Die Rechenleistung läge dabei allerdings allerdings trotz des enormen Aufwandes unterhalb jener eines simplen Taschenrechners mit wissenschaftlichen Funktionen .
Die Ablöse kam durch erste Halbleitertransistoren , aber da belegten wenige 100 Byte an Speicherkapazität tatsächlich zu Beginn im Format bereits eine vergleichbare Fläche wie ein ATX - Mainboard .
Wolltest Du einen einfachen Transistorrechner mit Einzeltransistoren der 1960-er Jahre z.B. mit der selben Rechenleistung wie eine AMD Athlon 200GE und 8 GB RAM nachlöten wollen , bräuchtest Du dafür wahrscheinlich rein an Platz schon etwa eine Halle von den Formaten eines Groß-Rechenzentrums von Amazon , Google & Co. , und ein ganzes Kraftwerk noch dazu .
Heutige Zentralprozessoren haben bereits als "Dualcore" mehrere Milliarden an Transistoren .
Einer der ersten erfolgreich in Massenserie gefertigten "Einchip-Prozessoren" war der Intel 4004 , dessen Package insgesamt wenige cm2 maß , und der intern immerhin schon ca. 2300 Einzeltransistoren besaß .
Multipliziert mit 1.000.000 kämen wir direkt nebeneinandergelegt da schon auf eine Fläche von 100 bis 200 m2 nur für ein Äquivalent eines halbwegs modernen Prozessors mit 2,3 Mrd. Einzeltransistoren.
Da der Intel 4004 allerdings nur mit ( beispielsweise ) 0,5 Mhz Taktfrequenz arbeitete , kämen wir rein rechnerisch in Fiktion des Taktausgkeiches durch stärkere Parallelisierung schon auf 400.000 bis 800.000 m2 reines Platzbedarfes zur Nachstellung eines modernen 2,0 Ghz - Prozessors mit 2,3 Mrd. Einzeltransistoren , wenn wir 1 Mio × 8.000 Stück = 8 Mrd. × 4004 da fiktiv nebeneinander legen würden .
Das wären in landwirtschaftlichen Dimensionen dann 40 bis 80 Hektar Ackerland , oder in reinem Fächenmaß etwa 0,4 bis 0,8 km2 .
Und das nur zur fiktiven Nachbildung eines modernen Kleinprozessors wie einer AMD Athlon 200ge , der ich fiktiv für den Transistoranteil seiner integrierten Grafikeinheit in diesem Beispiel mal gut und gerne um 2,65 Mrd. Transistoren beraubte . ( die 200GE beinhaltet ca. 4,95 Mrd. Transistoren )
Ist doch schon erstaunlich , was sich Anno 2020 gegenüber 1970 auf einem CPU-Package von lediglich etwa 16 bis 20 cm2 da so alles unterbringen läßt .
Falls Du Dich wunderst , weswegen ich von "Package" rede :
Dabei handelt es sich um das gesamte Bauelement "Prozessor" mitsamt seiner Trägerplatine und Kontaktierung zum Sockel . Die Intel 4004 hatte ihrer Zeit tatsächlich nur 16 Kontakte zum Sockel . 😉
Weiß ich garnicht , aber die Athlon 200GE wie auch eine moderne Intel Celeron / Pentium sind mit das kleinste , was es x86 - kompatibel heutzutage noch neu gibt .
Ich habe den Athlon 200ge und 8gb Ram drinne
Dann entspricht mein grobes Beispiel alleinig den ca. 2,3 Mrd. Tranaistoren für die reinen Rechenkerne Deiner 200GE ohne Grafikeinheit und RAM nebst Mainboard-Chipset .
Preis. Kühlung... Wenn du von einem Waver 900 oder 50 CPUs bekommst, was wirst du dann produzieren? und ich meine, für HIGH-End CPUs zahlen nicht so viele Menschen viel Geld, als für Mid-Range. Weil der 3950x ist ja fast voll besetzt mit Chips. Aber der wird sicher nicht so oft verkauft wie der 3600 oder 2700x...
BTW, wenn Du einen 3900 runterschleifst und mit einem 3950 vergleichst, sehen die gleich aus. Nur der 3900 hat einen defekten oder deaktivierten Teil eines ICs.
Die Leitungen innerhalb der CPU müssen sehr kurz sein weil auch der Strom eine gewisse Zeit braucht. Wären die Leitungen länger würde die CPU ausgebremst und in der Größe würden auch die Produktionskosten eine Rolle spielen.
Du machst eine CPU möglichst klein, da die Wege damit kürzer sind und die Leiterbahnen damit kleiner und damit weniger Widerstand haben. Dazu ist die Produktion auf dem Wafer nicht fehlerlos. Was die Größe für monolithische CPUs alla Intel schon sehr einschränkt, wenn Du nicht 99% Ausschuss produzieren willst.
um so kleiner die nm Bahnen, um so größer die Fehlerhaftigkeit?
Wundervoll, aber woher weißt du welches System ich habe?