Esiste un limite teorico alla velocita’ di un processore?

Risposta a livello base

Innanzitutto, cerchiamo di chiarire cos’e’ la
velocita’ di un processore. 
Come molti sanno, questo non e’ che una specie di
calcolatrice con tante funzioni (non piu’ di quante se ne
pensi), che esegue ogni operazione in un certo numero di
intervallini di tempo. L’inverso del periodo di questo
intervallo si chiama frequenza, e in genere si misura in
Hz, o, visto che e’ molto grande, MHz (un milione di
Hertz). 

Se la frequenza del “clock” e’ di 200 MHz,
vuol dire che ci sono 200 milioni di intervallini in un
secondo (1 Hz = 1 / 1s). 

Dove sono i limiti, allora? 

Chiaramente in parte nel dispositivo che genera il
comando da dare al processore (una specie di tic-tac),
identico a quello che troviamo negli orologi al quarzo,
in parte a tutta l’elettronica (non solo il processore)
che deve “seguire” il comando. 

Senza entrare nei dettagli, l’unico limite teorico e’
la velocita’ con cui un segnale si puo’ propagare, ovvero
quella della luce, che, nel vuoto e’ 3*10^8 m/s, poi, per
convertire in frequenza, dovremmo capire quanta
“strada” percorre il segnale per effettuare un
intero ciclo, inoltre ricordare che non 
siamo nel vuoto… 

Questo limite, pero’, si scontra con i problemi
tecnologici ed inoltre, non e’ calcolabile perche’ quando
avremo processori in grado di sfruttare a pieno la
velocita’ della luce (nel mezzo, ma in quale? Vetro?
Particolari composti?) bisognera’ anche vedere quanta
strada fara’ il segnale, insomma, potremmo tentare solo
un calcolo approssimativo, ma molto azzardato e privo di
basi 
sufficienti: 

1*108 m/s (consideriamo che non siamo nel
vuoto) / 1 cm (sembrano tanti, ma in un processore il
segnale fa molta strada…) = 1010 Hz = 10 GHz
(1 GHz sono 1000 MHz). 

Il calcolo e’ al solo scopo di valutare quanto siamo
lontani dall’obiettivo. 
 

Risposta a livello informatico

Si e’ parlato di quanto il segnale sia veloce, ma va
considerato che questo segnale e’ del tipo tic-tac (anche
quello all’interno del processore), per cui si deve
tenere conto del fatto che, anche se il segnale viaggia
ad una velocita’ che e’ gia’ quella della luce, le sue
variazioni vengono “ammorbidite” 
da effetti di filtraggio dovuti a vari problemi, primo
tra i quali l’inerzia che si manifesta anche in campo
elettronico. 

Se il segnale e’ fatto cosi’ all’origine: 

_  
_    _   _
 
  I_I  I_I 
I_I  I_I
 

diventa inevitabilmente cosi’: 

_     _    
_    _ 
   \_/   \_/  \_/ 
\_/ 
 

e viene anche leggermente ritardato. 

Questo segnale e’ frutto di operazioni (tantissime)
che vengono eseguite, e per le quali si passa attraverso
tante “porte” (gate in inglese), ognuna delle
quali ha sue caratteristiche in termini di tempi di
risposta e di deterioramento del segnale. 

Dopo tanti passaggi, il segnale originale potrebbe
avere questa forma: 

______/\____ 

abbastanza inservibile! 

Il problema nasce dal fatto che non abbiamo rispettato
i tempi minimi di risposta, il deterioramento, congiunto
con la scelta della frequenza. 

Scegliendo una frequenza piu’ bassa: 
 

_____           
_____           
_____
 
          
I_____I         
I_____I          
I__
 
 

questo sarebbe il risultato finale 

_____            
___            
___
 
          
          
/      
          
/      
 
           
\____/        
\____/        
\__
 

ancora abbastanza “pulito”. 

La risposta allora va data considerando quali siano le
cause del deterioramento e, soprattutto, come si puo’
ovviare al problema. 

Ancora una cosa: anche se il processore riuscisse a
raggiungere velocita’ elevate, esso deve anche dialogare
con l’esterno, in particolare con i dispositivi di
memoria. A parte il fatto che anche questi hanno problemi
con la velocita’, anche piu’ gravi, bisogna sempre
passare attraverso una linea 
di comunicazione detta BUS, che e’ di gran lunga piu’
lenta perche’ e’ molto piu’ grande e quindi tende a
filtrare maggiormente. 

Attualmente, per i PC, il bus piu’ veloce e’ il PCI,
puo’ arrivare a 33 MHz o al piu’ 50 MHz. Quindi pur
avendo a disposizione una potenza di calcolo notevole, si
dovrebbero poi fare i conti con il BUS. 

E’ come se in un ristorante ci fosse un cuoco
velocissimo ma un cameriere addormentato: i tempi non
cambiano tanto con un cuoco piu’ veloce! 

Conclusione: Non spendete tanti soldi per prendere un
processore velocissimo!!! 
 

Risposta: livello elettronico

Allora, da cosa dipende e cosa e’ questo
filtraggio? 

Un esempio banale: quando si fanno dei dolci e si
aggiunge il lievito e’ buona norma passarlo con un
filtrino per evitare che finiscano nell’impasto briciole
troppo grosse. 

Una cosa simile succede in elettronica: qualsiasi
dispositivo tende a non far passare le variazioni troppo
brusche del segnale, ecco perche’ cio’ che all’inizio
sono “gradini”, diventano delle
“rampe”. 

Le frequenze di filtraggio determinano la bonta’ di un
dispositivo. 

A cosa sono legate? Alle dimensioni del dispositivo
stesso. 

Infatti frequenze cosi’ alte sono dovute al fatto che
le porte sono sempre piu’ piccole e quindi la frequenza
di filtraggio si alza. 

Pero’ bisogna fare i conti innanzitutto con la
tecnologia, che non permette di fare porte piccole a
piacere. Come quando si scrive, la punta della penna ha
una dimensione che permette di scrivere piccolo, ma con
certi limiti. 

I processori vengono “scritti” con raggi, in
genere ultravioletti, che hanno (sembra strano ma e’
cosi’) una loro dimensione. 

Al momento le porte piu’ piccole sono di circa un
micron (milionesimo di metro) ma un processore ha al suo
interno porte ben piu’ grandi… 

Poi nasce un altro problema: per passare dallo stato
ON a OFF (come nel segnale si passa dall’alto al basso),
c’e’ bisogno di una corrente che passa attraverso il
nostro dispositivo. Se si vuole passare velocemente e’
necessaria una corrente grande, e se il dispositivo e’
piccolo si potrebbe rovinare. 

Inoltre i dispositivi attualmente in uso hanno dei
limiti di velocita’ dovuti anche alla intensita’ dei
campi elettrici. Per migliorare le prestazioni bisogna
scendere con i livelli di tensione (infatti si e’ passati
da 5 V a 3,3V). A parte i disagi nell’adattare il resto
del compuer al nuovo processore, livelli di tensione piu’
bassi implicano a loro volta altri tipi di
problemi… 

Ancora due cose: quando si riducono le porte,
bisognerebbe ridurre anche tutto il resto, ma questo
implica spesso la progettazione ex-novo di tutto il
processore, perche’ non si puo’ semplicemente ridurre in
scala. 

Inoltre, a parte il deterioramento del segnale, se si
alza troppo la velocita’ del clock, i dispositivi
cominciano a funzionare come delle antenne, quindi in
modo molto diverso da quello degli interruttori (come
dovrebbe essere). 
Questo vuol dire che bisogna cambiare il meccanismo base
delle porte se vuole che esse funzionino
correttamente. 

Oppure spingere piu’ in la’ la tecnologia. 

Concludo davvero: tempo fa si credeva di aver
raggiunto il limite tecnologico e che ormai non si poteva
fare piu’ nulla, poi qualcuno ci ha lavorato su ed ha
scoperto nuovi sistemi che ora consentono di avere
processori cosi’ veloci. Il successo economico aiuta ad
investire dei soldi nella ricerca e questa porta a sua
volta nuovo successo… ma se vi iscrivete ad Ingegeria
Elettronica (o simili) fatelo per passione, e non per
voglia di successo. 
Se c’e’ la prima verra’ anche il secondo!