Resposta simples

Question 1

Resumo

Economia. É mais barato e mais fácil projetar uma CPU que tenha mais núcleos do que uma velocidade de clock mais alta, porque:
Aumento significativo no uso de energia. O consumo de energia da CPU aumenta rapidamente à medida que você aumenta a velocidade do clock - você pode dobrar o número de núcleos operando em uma velocidade mais baixa no espaço térmico necessário para aumentar a velocidade do clock em 25%. Quádruplo por 50%.
Existem outras maneiras de aumentar a velocidade de processamento sequencial, e os fabricantes de CPU fazem bom uso delas.

Vou me basear fortemente nas excelentes respostas emessa questãoem um de nossos sites irmãos SE. Então, vote neles!

Limitações de velocidade do clock

Existem algumas limitações físicas conhecidas para a velocidade do clock:

Tempo de transmissão

O tempo que um sinal elétrico leva para percorrer um circuito é limitado pela velocidade da luz. Este é um limite rígido e não existe nenhuma maneira conhecida de contorná-lo ¹ . Em relógios gigahertz, estamos nos aproximando desse limite.

No entanto, ainda não chegamos lá. 1 GHz significa um nanossegundo por clock. Nesse tempo, a luz pode viajar 30 cm. A 10 GHz, a luz pode viajar 3 cm. Um único núcleo de CPU tem cerca de 5 mm de largura, então encontraremos esses problemas em algum lugar além de 10 GHz. ²
Atraso de comutação

Não basta apenas considerar o tempo que um sinal leva para viajar de uma extremidade a outra. Também precisamos considerar o tempo que uma porta lógica dentro da CPU leva para mudar de um estado para outro! À medida que aumentamos a velocidade do clock, isso pode se tornar um problema.

Infelizmente, não tenho certeza sobre os detalhes e não posso fornecer números.

Aparentemente, injetar mais energia nele pode acelerar a comutação, mas isso leva a problemas de consumo de energia e dissipação de calor. Além disso, mais potência significa que você precisa de conduítes mais volumosos, capazes de lidar com isso sem danos.
Dissipação de calor/consumo de energia

Este é o grande problema. Citando deresposta de fuzzyhair2:

Processadores recentes são fabricados com tecnologia CMOS. Cada vez que há um ciclo de clock, a energia é dissipada. Portanto, velocidades mais altas do processador significam mais dissipação de calor.

Há algumas medidas lindas emeste tópico do fórum AnandTech, e até derivaram uma fórmula para o consumo de energia (que anda de mãos dadas com o calor gerado):

^{Crédito paraEu não ligo}

Podemos visualizar isso no gráfico a seguir:

^{Crédito paraEu não ligo}

Como você pode ver, o consumo de energia (e o calor gerado) aumenta extremamente rapidamente à medida que a velocidade do clock aumenta além de um certo ponto. Isso torna impraticável aumentar ilimitadamente a velocidade do clock.

A razão para o rápido aumento no uso de energia está provavelmente relacionada ao atraso de comutação - não é suficiente simplesmente aumentar a potência proporcionalmente à frequência do clock; a tensão também deve ser aumentada para manter a estabilidade em clocks mais altos. ^{Isto pode não estar completamente correto; sinta-se à vontade para apontar correções em um comentário ou fazer uma edição nesta resposta.}

Mais núcleos?

Então, por que mais núcleos? Bem, não posso responder isso definitivamente. Você teria que perguntar ao pessoal da Intel e da AMD. Mas você pode ver acima que, com CPUs modernas, em algum momento torna-se impraticável aumentar a velocidade do clock.

Sim, o multicore também aumenta a potência necessária e a dissipação de calor. Mas evita perfeitamente o tempo de transmissão e problemas de atraso de comutação. E, como você pode ver no gráfico, você pode facilmente dobrar o número de núcleos em uma CPU moderna com a mesma sobrecarga térmica que um aumento de 25% na velocidade do clock.

Algumas pessoas fizeram isso - o atualrecorde mundial de overclocké apenas tímido de 9 GHz. Mas é um desafio de engenharia significativo fazer isso e ao mesmo tempo manter o consumo de energia dentro de limites aceitáveis. Os designers em algum momento decidiram que adicionar mais núcleos para realizar mais trabalhoem paraleloproporcionaria um impulso mais eficaz ao desempenho na maioria dos casos.

É aí que entra a economia - provavelmente era mais barato (menos tempo de design, menos complicado de fabricar) seguir o caminho multicore. E é fácil de comercializar - quem não ama o novoocta-corelasca? (Claro, sabemos que multicore é bastante inútil quando o software não faz uso dele...)

Láéuma desvantagem do multicore: você precisa de mais espaço físico para colocar o núcleo extra. No entanto, os tamanhos dos processos da CPU diminuem constantemente, por isso há muito espaço para colocar duas cópias de um design anterior - a verdadeira desvantagem é não ser capaz de criar núcleos únicos maiores e mais complexos. Então, novamente, aumentar a complexidade central é umacoisa ruimdo ponto de vista do design - mais complexidade = mais erros/bugs e erros de fabricação. Parece que encontramos um meio termo com núcleos eficientes que são simples o suficiente para não ocupar muito espaço.

Já atingimos um limite com o número de núcleos que podemos colocar em uma única matriz nos tamanhos de processo atuais. Poderemos atingir um limite de até onde poderemos encolher as coisas em breve. Então o que vem depois? Precisamos de mais? Isso é difícil de responder, infelizmente. Alguém aqui é clarividente?

Outras maneiras de melhorar o desempenho

Portanto, não podemos aumentar a velocidade do clock. E mais núcleos têm uma desvantagem adicional – ou seja, eles só ajudam quando o software executado neles pode fazer uso deles.

Então, o que mais podemos fazer? Como as CPUs modernas são muito mais rápidas do que as mais antigas com a mesma velocidade de clock?

A velocidade do clock é, na verdade, apenas uma aproximação aproximada do funcionamento interno de uma CPU. Nem todos os componentes de uma CPU funcionam nessa velocidade - alguns podem operar uma vez a cada dois tiques, etc.

O que é mais significativo é o número deinstruçõesvocê pode executar por unidade de tempo. Esta é uma medida muito melhor de quanto um único núcleo de CPU pode realizar. Algumas instruções; alguns levarão um ciclo de clock, outros levarão três. A divisão, por exemplo, é consideravelmente mais lenta que a adição.

Portanto, poderíamos melhorar o desempenho de uma CPU aumentando o número de instruções que ela pode executar por segundo. Como? Bem, você poderia tornar uma instrução mais eficiente - talvez a divisão agora leve apenas dois ciclos. Então hápipeline de instruções. Ao dividir cada instrução em vários estágios, é possível executar instruções "em paralelo" - mas cada instrução ainda tem uma ordem sequencial bem definida, respectiva às instruções anteriores e posteriores, portanto, não requer suporte de software como multicore faz.

Háoutromaneira: instruções mais especializadas. Vimos coisas como o SSE, que fornece instruções para processar grandes quantidades de dados de uma só vez. Existem novos conjuntos de instruções sendo constantemente introduzidos com objetivos semelhantes. Estes, novamente, requerem suporte de software e aumentam a complexidade do hardware, mas fornecem um bom aumento de desempenho. Recentemente, surgiu o AES-NI, que fornece criptografia e descriptografia AES aceleradas por hardware, muito mais rápido do que um monte de aritmética implementada em software.

¹ De qualquer forma, não sem nos aprofundarmos bastante na física quântica teórica.

² Na verdade, pode ser menor, uma vez que a propagação do campo elétrico não é tão rápida quanto a velocidade da luz no vácuo. Além disso, isso é apenas para distâncias em linha reta - é provável que haja pelo menos um caminho consideravelmente mais longo que uma linha reta.

Answer

Resumo

Economia. É mais barato e mais fácil projetar uma CPU que tenha mais núcleos do que uma velocidade de clock mais alta, porque:
Aumento significativo no uso de energia. O consumo de energia da CPU aumenta rapidamente à medida que você aumenta a velocidade do clock - você pode dobrar o número de núcleos operando em uma velocidade mais baixa no espaço térmico necessário para aumentar a velocidade do clock em 25%. Quádruplo por 50%.
Existem outras maneiras de aumentar a velocidade de processamento sequencial, e os fabricantes de CPU fazem bom uso delas.

Vou me basear fortemente nas excelentes respostas emessa questãoem um de nossos sites irmãos SE. Então, vote neles!

Limitações de velocidade do clock

Existem algumas limitações físicas conhecidas para a velocidade do clock:

Tempo de transmissão

O tempo que um sinal elétrico leva para percorrer um circuito é limitado pela velocidade da luz. Este é um limite rígido e não existe nenhuma maneira conhecida de contorná-lo ¹ . Em relógios gigahertz, estamos nos aproximando desse limite.

No entanto, ainda não chegamos lá. 1 GHz significa um nanossegundo por clock. Nesse tempo, a luz pode viajar 30 cm. A 10 GHz, a luz pode viajar 3 cm. Um único núcleo de CPU tem cerca de 5 mm de largura, então encontraremos esses problemas em algum lugar além de 10 GHz. ²
Atraso de comutação

Não basta apenas considerar o tempo que um sinal leva para viajar de uma extremidade a outra. Também precisamos considerar o tempo que uma porta lógica dentro da CPU leva para mudar de um estado para outro! À medida que aumentamos a velocidade do clock, isso pode se tornar um problema.

Infelizmente, não tenho certeza sobre os detalhes e não posso fornecer números.

Aparentemente, injetar mais energia nele pode acelerar a comutação, mas isso leva a problemas de consumo de energia e dissipação de calor. Além disso, mais potência significa que você precisa de conduítes mais volumosos, capazes de lidar com isso sem danos.
Dissipação de calor/consumo de energia

Este é o grande problema. Citando deresposta de fuzzyhair2:

Processadores recentes são fabricados com tecnologia CMOS. Cada vez que há um ciclo de clock, a energia é dissipada. Portanto, velocidades mais altas do processador significam mais dissipação de calor.

Há algumas medidas lindas emeste tópico do fórum AnandTech, e até derivaram uma fórmula para o consumo de energia (que anda de mãos dadas com o calor gerado):

^{Crédito paraEu não ligo}

Podemos visualizar isso no gráfico a seguir:

^{Crédito paraEu não ligo}

Como você pode ver, o consumo de energia (e o calor gerado) aumenta extremamente rapidamente à medida que a velocidade do clock aumenta além de um certo ponto. Isso torna impraticável aumentar ilimitadamente a velocidade do clock.

A razão para o rápido aumento no uso de energia está provavelmente relacionada ao atraso de comutação - não é suficiente simplesmente aumentar a potência proporcionalmente à frequência do clock; a tensão também deve ser aumentada para manter a estabilidade em clocks mais altos. ^{Isto pode não estar completamente correto; sinta-se à vontade para apontar correções em um comentário ou fazer uma edição nesta resposta.}