החוקר שבתוך המחשב
05/09/2017
בשבוע שעבר הכריזה חברת אינטל על דור חדש של מעבדים [1]. ברכות לקבוצה הישראלית! ננצל הזדמנות זו להסביר על המושג "תדר מעבד" ואיך הוא קשור לפיזיקאי שבתמונה?
מאת: יניב טננבאום קטן ודורון אורנשטיין
בסתיו של 1886 הצליח הפיזיקאי הגרמני היינריך רודולף הרץ [2] להוכיח לראשונה בצורה ניסיונית שחשמל יכול להפוך לגלים אלקטרומגנטיים. הוכחה זו הייתה תוצאה של עבודה ארוכה ומפרכת, שנמשכה על פני שנים רבות.
ניסוי זה פרץ את הדרך לפיתוח משדר הרדיו ומקלט הרדיו הראשונים על ידי מרקוני, ולבסוף הוליד את עידן התקשורת האלחוטית.
השנה חגגנו 159 שנה להולדתו של הרץ. הרץ (שהיה יהודי מצד אביו) זכה להוקרה על תרומתו לפיתוח הטכנולוגיה המודרנית. בשנת 1930 הוחלט לקרוא ליחידת התדירות הבסיסית (מספר המחזורים לשנייה של תופעות מחזורית, כמו למשל תנודת מטוטלת) על שמו של הרץ: “Hz”. מאז, שמו מתנוסס במקומות רבים והוא מוזכר בכל פרסום של מחשבים חדשים. (למשל [1]: "המעבד החדש רץ בתדר מקסימלי של 4.2 גיגה הרץ).
אבל מה הקשר בין התדר לביצועים? כדי לענות על שאלה זו, נדמיין מפעל ייצור שבו הפועלים עובדים בשיטת סרט נע. בכל פרק זמן (נניח שניה) כל עובד בשרשרת מקבל מוצר חלקי מהפועל שלפניו בשרשרת, מוסיף משהו (מבריג בורג, צובע חלק...) ורץ לתת את המוצר החלקי לפועל הבא בשרשרת. כדי לתזמן את הסרט הנע, מנהל המשמרת שורק בכל שניה. ברגע השריקה חייב כל פועל לגמור את חלקו ולמסור את החלק לפועל הבא. ניתן לומר שבית החרושת עובד ב"תדר שעון" של הרץ אחד וכל שנייה יוצא מהמפעל מוצר מוגמר.
נניח שכעבור שנה וחצי, בונים מפעל חדש ומשוכלל יותר, המרחקים בין הפועלים מתקצרים והפועלים נעשים יותר מיומנים. כתוצאה מכך, כל פועל יכול לסיים את חלקו ולהעביר את התוצרת לפועל הבא במחצית הזמן ביחס למפעל הקודם (כלומר בחצי שנייה). במפעל זה, מנהל המשמרת שורק כל חצי שניה, וקצב יצירת המוצרים הוא פי שניים יותר מהיר - שני הרץ.
בבניית המעבדים המרכיבים את המחשבים האישיים ישנו סיפור דומה. כל מעבד מחשב מורכב מטרנזיסטורים, שהם יחידות החישוב הבסיסיות שלו. ככל שמעבד מכיל יותר טרנזיסטורים, כך גדלות יכולות החישוב שלו.
כתוצאה משיפורים טכנולוגים מדהימים בתהליכי היצור של שבבי הסיליקון (כמו למשל שיפור באופטיקה ובתהליכים כימיים) ניתן לייצר בכל דור יותר ויותר טרנזיסטורים ("פועלים") קטנים, צפופים וזריזים יותר על כל פיסת סיליקון. כאשר הטרנזיסטורים נהיים יותר צפופים ויעילים, אפשר לבצע אתם יותר פעולות בשנייה בשיטת "סרט נע". כתוצאה מכך אפשר לשפר את תדר העבודה של המעבד.
אכן, תדר המעבדים השתפר מדור לדור במקביל להגדלת צפיפות הטרנזיסטורים. המעבד הראשון של אינטל, 4004, שיצא בשנת 1971 פעל בתדר של 104KHz. המעבדים המובילים כיום פועלים בתדר 4GHz ומעלה - כמעט פי 40,000!
בעבר, תדר המעבד של המחשב היה מזוהה בצורה ישירה עם הביצועים והתועלת שלו. כיום, בגלל בעיות שונות, הועם ערכו של התדר בתור הדרך לשיפור ביצועים, והמירוץ אחר העלאת התדר נבלם. אחת הבעיות המרכזיות בשימוש בתדר גבוה היא בעיית ההתחממות: כדי להפעיל מעבד בתדר גבוה, יש צורך להעלות את מתח הפעולה שלו. ההספק גדל כמו מתח הפעולה בחזקה שלישית, וגידול בהספק מוביל לחימום מהיר. בנוסף, ככל שהטרנזיסטורים נהיים צפופים יותר,הקושי בפיזור החום גדל, מה שמגביל את תדר הפעולה.
בימינו יש גם טכניקות אחרות לשיפור ביצועים, כמו למשל ריבוי ליבות ומאיצים גרפיים. אולם התדר עדיין מהווה מדד חשוב לרמת הביצועים של הרבה יישומי מחשב [4] . בניגוד למידות פיזיקליות רבות הקרויות על שם חוקרים [3] , ("אוהם", "אמפר", "אנגסטרם", "פארדי", "מאך", "קירי" , "מקסוול") היחידה בג'יגה-הרץ עדיין מופיעה במפרט הטכני ובפרסומים של מעבדי מחשב חדשים. יחידה זו נותנת לנו תזכורת לאיש שעשה מהפיכה דרך ניסוי, וליכולת האנושית לחבר בין מדע תאורטי ויישומי ולצור שיפורים טכנולוגיים מדהימים, שאנו חשים בהם יום יום.
דוקטור לפיזיקה, בוגר הטכניון בחיפה. התמחה בפיזיקה של חלקיקים יסודיים, פיזיקה של מצב מוצק ואופטיקה. כיום, עוסק בעיבוד תמונה, עיבוד אותות ובלמידת מכונה. לשעבר המנהל המקצועי של עמותת "מדע גדול, בקטנה".
