Вооруженные жидким азотом оверклокеры неоднократно показывали, что современные чипы могут стабильно работать на частотах в разы выше номинальных, обеспечивая соответствующий рост производительности. Тем не менее, прогресс в области «гонки гигагерц» остановился давно и надежно. Первый «Pentium 4» с частотой больше 3 ГГц появился в далеком 2002 году, почти 10 лет назад. За прошедшие годы нормы техпроцессов уменьшились со 180 до 32 нм, но даже это не позволило существенно поднять штатные рабочие частоты. Все упирается в огромное тепловыделение элементов цифровой логики.
В основе «проблемы тепловыделения» лежит глубокая связь между информационной и термодинамической энтропией, а также второе начало термодинамики, запрещающее уменьшение общей энтропии замкнутой системы. Любое вычисление, уменьшающее энтропию информационную, обязано приводить к увеличению энтропии термодинамической, то есть к выделению тепла. Рольф Ландауэр в 1961 году показал [pdf], что уничтожение одного бита информации должно приводить к выделению не менее k∙T∙ln 2 джоулей энергии, где k – постоянная Больцмана и T – температура системы. Само по себе эта энергия невелика: для T=300K она составляет всего 0.017 эВ на бит, но в пересчете на процессор в целом суммарная энергия вырастает уже до величин порядка одного Джоуля за каждую секунду работы, то есть порядка одного Ватта [Компьютерра №538]. На практике этот теоретический минимум умножается на ненулевое сопротивление и прочие неидеальности реальных полупроводников. В результате мы получаем процессоры, которые по тепловыделению обгоняют утюги.
В основе «проблемы тепловыделения» лежит глубокая связь между информационной и термодинамической энтропией, а также второе начало термодинамики, запрещающее уменьшение общей энтропии замкнутой системы. Любое вычисление, уменьшающее энтропию информационную, обязано приводить к увеличению энтропии термодинамической, то есть к выделению тепла. Рольф Ландауэр в 1961 году показал [pdf], что уничтожение одного бита информации должно приводить к выделению не менее k∙T∙ln 2 джоулей энергии, где k – постоянная Больцмана и T – температура системы. Само по себе эта энергия невелика: для T=300K она составляет всего 0.017 эВ на бит, но в пересчете на процессор в целом суммарная энергия вырастает уже до величин порядка одного Джоуля за каждую секунду работы, то есть порядка одного Ватта [Компьютерра №538]. На практике этот теоретический минимум умножается на ненулевое сопротивление и прочие неидеальности реальных полупроводников. В результате мы получаем процессоры, которые по тепловыделению обгоняют утюги.
Почти все разработчики знают, что кэш процессора — это такая маленькая, но быстрая память, в которой хранятся данные из недавно посещённых областей памяти — определение краткое и довольно точное. Тем не менее, знание «скучных» подробностей относительно механизмов работы кэша необходимо для понимания факторов влияющих на производительность кода.
