限制CPU最高頻率的瓶頸在哪裡？

01-13

功耗？散熱？線路固有的延遲時間？

應該是工藝功耗晶體管數量還有cpu構架上來看頻率問題，而且高頻率的cpu不一定性能就強勁 intel的奔騰4系列就是最好的例子。

兩點：

1、生產工藝；

2、微架構的取捨

其實有很多因素決定。

工藝是其中最重要的一個因素。但是並不是晶體管的量子效應，而是互連延遲。現在晶元面積越來越大，這導致連線延遲越來越大。如果信號無法在設計指定時鐘周期內從晶元的一角到達另一角，那就必須降低時鐘頻率否則就出錯了。所以第一個限制實際上是互連。

其次是效率。其實現在使用深流水線可以把CPU的時鐘頻率提高到很高（沒記錯的話是5 GHz上下），但是這樣做並不代表CPU速度比較快——深流水線只是把一件任務分到多個時鐘周期去做，提高的是數據吞吐量，但這個數據吞吐量實際上是收到很多因素制約的，很多時候流水線實際上是在空轉（所謂bubble）。另一方面每引入一級新的流水線都會有額外開銷，這會降低CPU的功率效率。如果一個5 GHz的CPU和2 GHz的CPU速度差不多，但是2 GHz的CPU功耗小很多，那設計者肯定會採取後者。

是工藝限制，現在CPU到主頻一般都是上Ghz，但是這個在現在看來已經是最大的了，原因在於，晶元內部到工作頻率不能產生其他副作用，簡單講，一個高頻電路的設計一般要注意布線，比如要把兩根信號線靠的盡量的近，要把信號線取得盡量到短，因為信號頻率過高之後，每根導線上走的其實都是快速變化的信號，快速變化的信號其實就是交流電，是交流電就要向外輻射電磁波，電磁感應中有互感一說，一根信號線上到數據會影響到另外一根信號線上到數據，所以就限制了頻率，不能講主頻無限制到提高。現在我們一般的電腦，cpu的外部匯流排頻率在幾百兆左右就是受到這個pcb板布線到影響，而cpu內部的主頻，同理。受到生產CPU晶元的原料單晶硅中兩個硅原子之間的距離限制，所以現在說，cpu頻率是受到工藝的影響的。

哇，這題發現的有點晚，我來試著答答。

我比較贊同@李映輝的答案，雖然字少但很全，相對高票的@章武的答案只是瓶頸的一方面。

先順便提及一下量子效應，更確切的是整個行業的問題，怎麼進入更低的納米級（例如去年Intel 22n技術採用的立體結構），暫時現在還沒有完全被量子問題影響，如http://www.zhihu.com/question/20091487中@劉竹溪的答案提到的，現在的工藝問題是光蝕刻。

固然納米級越低越好，但對於CPU來說可不是頻率越高越好，@李映輝舉奔四的例子在恰當不過了。

詳細回答，首先是工藝，正如@章武說的。

功耗：頻率越高，即mos管的開關頻率也越高，導致開關損耗也越高，當頻率較高時，開關損耗占整個損耗的主要部分，這也是為什麼奔4有著強勁的頻率，性能卻並沒有突出的表現。尤其是在很多低功耗領域，過於追求cpu頻率只會費電，看看當下使用iphone和安卓的好男人們吧～

時鐘：頻率越高，便意味著對匹配外部設備的要求也越高。同樣是讀寫一個數據，周期從10ns提到至1ns很可能使內存等設備來不及反應，導致出錯。

晶體管：http://en.wikipedia.org/wiki/Mosfet#MOSFET_scaling

如果感興趣可以研究一下維基的說明，當達到一定納米級後，mos管已經不是簡單的越小就越快了，而mos管的開關頻率即決定CPU的頻率，也便使得CPU有了瓶頸。

還有很多理由，畢竟我沒有接觸過設計CPU流程，如果想了解更多詳細內容，可以看看quora上的一個問答：Why haven"t CPU clock speeds increased in the last 5 years?http://www.quora.com/Why-havent-CPU-clock-speeds-increased-in-the-last-5-years#

DIY玩家手機簡答下，需要詳細答案的可以留言。

CPU主頻=外頻x倍頻

外頻是主板各部分同步的時鐘，倍頻讓CPU可以通過分頻實現獨立非同步高速運行。

按照DIY高玩圈子公認的理論，主頻主要受制於工藝。工藝不是製程，而是精密程度，納米級光雕流片的準確度，製程的提升可以做出更細微的二極體，但是還是不能達到精準控制，好壞隨機出現，在保證良品率的情況下還要經過出場篩選。同一個晶圓上切下來的CPU核心晶元，由於工藝的隨機性，體質均不一樣，經過篩選後鎖定倍頻出廠作為同一大型號的子型號。比如LGA1366的i7第一代四核八線程版，體質最好的最好的做成了25倍頻3.3GHz的i7 975不鎖倍頻黑盒版，可以繼續提升倍頻來超頻；最爛的就是20倍頻2.6GHz的i7 920鎖死倍頻的藍盒版，頻率稍微高一點就輸出錯誤運算結果，強制超頻運行只能造成錯誤死機，由於只能超外頻，超頻空間還受制於主板其他元件，買家要超頻能力純看運氣，有些供貨商懂得看編號認體質。工藝的限制讓CPU在高頻運算時內部顯微級線路互相干擾，不能得到準確的頻率。Intel現在的技術可以做到22nm製程高良品率的CPU核心，但是依然不能保證結果萬無一失，所以很多需要絕對穩定性的領域還在用很老但是工藝可以保證的晶元。

另外，主頻與核心數都不是CPU性能的決定性參數，除非是同一型號的子型號，只看體質認倍頻。CPU是拿來做事的，所以決定性能的是其中的功能模塊，外在表現就是特定指令集的運算效率。比如Intel在酷睿i系列第二代桌面晶元中引入AVX指令集，將SIMD運算效率增加了一倍。同樣主頻和核心數的兩代CPU在關睿頻情況下，純CPU編解碼多媒體音視頻的時候，新一代效率的提升就非常明顯。

手機打字很累，就寫這麼多。希望對您有所幫助。

這個要分開看:

首先，在移動設備上，限制cpu頻率的是功耗，也就是發熱量；

其次，在pc和server領域，限制cpu頻率的倒不是功耗，是cpu外設的速度，目前存儲器的工藝一般要比cpu的工藝要落後一些，頻率跟cpu的頻率根本不在一個數量級，過高的頻率會導致一致性出現問題，現在最快的cpu應該有3級cache了吧，在存儲器頻率不能提高很多的情況下提高cpu頻率只能增加cache，設計難度會很大，真的很大

5nm

還有晶體管器件方面的因素，就比如，襯底漏電流，隨著特徵尺寸的減小，晶元的工作電壓也降低，而漏電流的減小量不是很明顯，使得與溝道工作電流的比值越來越大，限制了柵極的翻轉頻率，同時尺寸減小使得溝道耗盡區擴展明顯，很容易發生源漏穿通，使得柵控能力減低，限制頻率的提高，，，現在比較先進的UBBSOI和FINFET在很大程度上減小了漏電流，也增大了柵控能力，這不僅有助於提高頻率，更重要的是極大降低了靜態功耗

材料"也可以說替代二級管的材料

樓主所問的問題是什麼限制了主頻，個人認為是散熱問題，現在的cup都是硅晶的硅的電氣性能受溫度影響極大，所以大部分的硅晶晶元都有其適用的溫度工作範圍，超出這個範圍使用會對晶元產生損害，輕則降低穩定性，減少使用壽命，重則會對晶元產生永久性損傷，至於樓上所說的製程，工藝之類的主要還是在控制散熱的情況下提升處理器性能吧

目前我們在處理器晶元都採用硅做基底；硅半導體中帶電粒子弛豫長度（弛豫時間）是有限的，計算出來其頻率極限就是5GHz，不改變材料是不可能提升的。INTEL已經很牛了，其CPU能超過這個極限的一半了。各層答主提到的都是困難，可以做某些程度的突破；唯獨物理限制無法突破。