電気信号伝播速度とCPU-メモリコントローラの合体の関係

質問

はじめまして、よろしくお願いいたします。

最近、パソコン用のチップには、CPU、グラフィックス、メモリコントローラが１チップに集約された製品が出ています。　CPU・メモリコントロール間の距離が短いため、より高速に動作できると聞くのですが、電気信号は光速並みに伝播すると聞きます。　
信号が外に出ていても、内部で接続されていても、動作速度には大幅な改善がみられないように思えます。　１チップに集約することで何故高速に動作できるのか、教えていただければ幸いです。

初心者ですので、分かりやすくご教授いただければ幸いです。

回答No.3

10451198 · ベストアンサー

とても正しい疑問と思われます。

Ｑ／信号が外に出ていても、内部で接続されていても、動作速度には大幅な改善がみられないように思えます。１チップに集約することで何故高速に動作できるのか

Ａ／いくつかのことがごっちゃになっているので、このような誤解が生じます。
１．CPU・メモリコントロール間の距離が短いため、より高速に動作できる。これはその通りです。ただし、速くなるのは短くなった分だけとおもってＯＫです。つまりさほど大きな影響はない、でいいです。（細かい話はあえて省略。大筋こうだ、と理解してください）
２．電気信号は光速並みに伝播すると聞きます。
これは大きな誤解です。まず、導体を通る電気信号は光速の半分出ればよいほうです。で、さらにこれは単純に伝搬することを考えた場合の話です。まあそれでも速い、といえますので、これも本質ではないですね。
３．本質はこれです。信号が外に出るのと、中で閉じるのとでは大違いです。信号をチップの外に出す、ということは、外界のノイズにさらされても大丈夫なように、それなりの強度の信号を出す、ということです。つまりチップの内部で使われている信号を、十分増幅して外に出す必要があります。実用上は、規格にのっとった信号レベル、たとえばＧＴＬとかＴＴＬとか、そういったレベルまで増幅します。この、増幅をおこなう際にスピードが大きく下がるのです。一方、チップの中で伝送するだけなら、外界のノイズは関係なく、受け側がどういう信号レベルなら受かるかが完全にわかるので、増幅を行わない、または伝送が成立する程度の最低限の増幅で十分です。つまり余計な事をしないから、速いのです。なお、ここでいう増幅は、電圧振幅と電流容量の両方を含みます。

補足；チップの中の信号伝送はチップの中で世界が閉じるため、ＧＴＬとか、そういったレベルはつかいません。ずっと小さい振幅です。また、電流量も小さくします。
結局、外界とのやり取りを可能にするバッファ（増幅器）がおそい、ということがこの問題の本質です。

お礼

丁寧な説明で分かりやすかったです。　ありがとうございました。

補足

回答ありがとうございました。　より大きなトランジスタへ段々でつないでいくときに遅延が発生するようなものなのですね。　よーく理解できました。　ありがとうございました！

回答No.2

takepon256

電気信号が伝わる速度自体は光速とほぼ同じですが、High=>Low／Low=>Highに変化にかかる時間はもっと低速で、伝送線路の距離や周りの絶縁体の誘電率に依存します。
簡単に言うと距離が長いと、配線自体のコイル成分が増加し、周囲の絶縁体との間にコンデンサ（数pF程度ですが）がいっぱい接続されていることになります。
当然コイルやコンデンサの容量が大きくなると、電圧変化に掛かる時間は遅くなります。
このコイル成分・コンデンサ成分を寄生インダクタ、寄生容量などと呼びます。
http://www1.s-cat.ne.jp/kiyoshi/m_basic/part_x0.htm
http://jr6bij.hiyoko3.com/java_calc/prn_cap.php

ICの中に配線を全て押し込めると距離が短くなり、寄生容量、寄生インダクタを減らすことが出来ます。

お礼

ウェブリンクまで教えてもらいありがとうございました。

補足

回答ありがとうございました。　寄生容量なども関係してくるんですね。　とても勉強になりました。　ありがとうございました。

回答No.1

noname#208124

CPUの1クロックは光ですら数～数十ナノメートルしか進めないような短い時間です
同一ダイ上にある2次キャッシュすらCPUから見れば遅いのです
さらに高クロックで信号を伝えると配線の角で信号が反射する問題が出ています
これの回避のために配線の角は丸めながら配置されていますが、これのために更にCPUから遠くなっています

お礼

真っ先に回答をいただけてうれしかったです。　ありがとうございました。

補足

回答ありがとうございます。
すみません。。。混乱しているので、ご指摘ください。

そうすると、光の速度が約300,000キロメートル毎秒として、メートルに変換すると300,000,000メートル毎秒となるかと思います。
CPUのクロックを3,000,000,000ヘルツ(3Ghz)と仮定し、１クロックあたりにかかる時間を計算すると1/3,000,000,000で、3.33 x 10^(-10)秒となります。　
距離は速さx時間なので、300,000,000メートル毎秒 x 3.33 x 10^(-10)秒は0.1mとなり、3Ghzだと電気信号伝播は0.1m毎クロックとなります。

１クロックあたり１０センチメートルだと結構早いように思えるのですが。。。　いかがでしょうか？