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Deshalb steigen die CPU-Taktraten aktuell nicht mehr

19.06.2019 | 09:03 Uhr |

Aktuell scheint es selbst bei teuren High-End-Prozessoren kaum noch zu Steigerungen der Taktraten zu kommen. Das sind die Hintergründe.

Bis vor Kurzem sind die Taktraten von Prozessoren Jahr für Jahr weiter gestiegen. Ein Beispiel: In den 90er und in den frühen 2000er Jahren gab es drastische Geschwindigkeitszuwächse von 60 MHz auf Gigahertz-Taktfrequenzen. Im Gegensatz dazu scheint es in den letzten Jahren selbst bei teuren High-End-Prozessoren kaum noch zu Steigerungen der Taktraten zu kommen. Aktuell können zwar versierte Overclocker manche CPUs auf bis zu neun Gigahertz übertakten. Das klappt allerdings nur mit Hilfe von Kühlungen, die flüssigen Stickstoff verwenden. Das ist keine gängige Praxis im PC-Alltag. Hier ist bei rund fünf Gigahertz Schluss.

Und auch bei den Unternehmen bleiben die großen Sprünge aus: So plante Intel bereits vor einigen Jahren den Marktstart eines Prozessors mit satten zehn Gigahertz, auf den wir heute noch vergeblich warten. Es ist auch nicht davon auszugehen, dass sich daran in naher Zukunft etwas ändern wird. Stellt sich die Frage, warum der Anstieg der Taktfrequenzen eigentlich stagniert. Sind die Grenzen bereits erreicht oder werden die Hertz-Zahlen vielleicht doch bald in die Höhe gehen?

Zum Hintergrund: Das in der IT bekannte mooresche Gesetz besagt, dass die Transistorengröße in regelmäßigen Abständen schrumpft. Das bedeutet, dass sich mehr Transistoren auf einen Prozessor integrieren lassen, was üblicherweise auch mit einer Leistungssteigerung einhergeht. Es existiert aber auch ein weiterer Faktor, der darauf Einfluss hat – die Dennard-Skalierung. Dieses Prinzip besagt, dass die Energie, die zum Betrieb von Transistoren innerhalb einer bestimmten Volumeneinheit benötigt wird, auch bei steigender Anzahl von Transistoren gleichbleibt. Allerdings stoßen wir bereits an die Grenzen der Dennard-Skalierung. Deshalb sorgen sich führende Experten, dass sich das mooresche Gesetz verlangsamt. Denn Transistoren sind mittlerweile so klein geworden, dass die Dennard-Skalierung nicht mehr greift – im Gegenteil: Die Transistoren schrumpfen zwar, aber die Energie, die für den Betrieb benötigt wird, steigt.

Vor einigen Jahren gab es noch riesige Anstiege bei den CPU-Taktfrequenzen. Aktuell stagnieren sie jedoch. Das liegt an verschiedenen Faktoren.
Vergrößern Vor einigen Jahren gab es noch riesige Anstiege bei den CPU-Taktfrequenzen. Aktuell stagnieren sie jedoch. Das liegt an verschiedenen Faktoren.

Beim Chip-Design spielen aber auch thermische Gegebenheiten eine wichtige Rolle. Denn wenn man Milliarden von Transistoren auf eine gemeinsame Chipfläche integriert und sie tausende Male pro Sekunde ein- und ausschaltet, dann wird dabei eine starke Hitze erzeugt. Und übermäßige Wärme ist nicht gerade der beste Freund des für die Chips eingesetzten Siliziums. Diese Hitze muss deshalb abgeführt werden, um die Taktfrequenzen aufrecht zu erhalten. Sprich: Je mehr Transistoren integriert werden, desto leistungsfähiger muss die Kühlung ausfallen.

Eine Erhöhung der Taktraten setzt auch eine Spannungserhöhung voraus. Das führt zu einer höheren Leistungsaufnahme der Chips. Sollen also die Taktfrequenzen steigen, nehmen parallel Hitze und Stromverbrauch zu. Tatsächlich haben beide Faktoren mehr Einfluss als der eigentliche Takt und stellen damit die Hauptgründe für den aktuellen Stillstand dar.

Auch das Design und die Zusammensetzung der Transistoren selbst verhindern einen weiteren Anstieg des Takts. Zwar werden sie immer kleiner, arbeiten jedoch nicht schneller. Zuvor wurden Transistoren immer flotter, weil ihre sogenannten Gates (der Teil, der sich als Reaktion auf den Strom bewegt) dünner wurden. Doch seit Intels 45-Nanometer-Prozess sind die Transistor-Gates etwa 0,9 Nanometer dick und damit in etwa so breit wie ein einzelnes Siliziumatom. Zwar könnten andere Materialien für die Transistoren einen schnelleren Gate-Betrieb ermöglichen, doch üppige Geschwindigkeitssteigerungen wie vor einem Jahrzehnt sind selbst damit nicht mehr zu erwarten.

Des Weiteren ist die Geschwindigkeit der Transistoren nicht mehr der einzige ausschlaggebende Faktor für die Höhe der Taktfrequenz. Heutzutage sind auch die Leitungen, die die Transistoren miteinander verbinden, ein wichtiger Faktor. Und wenig überraschend: Schrumpfen die Transistoren, dann schrumpfen auch diese Leitungen. Doch je kleiner diese Verbindungen werden, desto größer die Impedanz und desto geringer der Strom. Zwar kann die Technik „Smart Routing“ dazu beitragen, die Übertragungsdauer und Wärmeerzeugung zu reduzieren, aber dramatische Anstiege der Taktraten sind in diesem Fall physikalisch unmöglich.

Alle diese Gründe sorgen dafür, dass es bisher keine schnelleren Prozessoren gibt. Tatsächlich ist zum jetzigen Zeitpunkt aufgrund der physikalischen Einschränkungen und bei den aktuellen Transistordesigns keine Erhöhung der Taktraten möglich. Stattdessen soll die Rechenleistung mit Hilfe von Multicore-Prozessoren gesteigert werden, wie es AMD seit der Ryzen-Generation vormacht. Denn trotz des nicht allzu hohen Takts handelt es sich dabei um überaus leistungsfähige CPUs, da sie über acht oder mehr Rechenkerne verfügen. Zwar sind Software und Spiele noch nicht darauf optimiert, doch das wird sich wohl bald ändern.

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