在（理论上的）4GHz 处理器中，电子在单个时钟周期内物理移动多远？

Question

昨晚我在思考计算机和处理器以及这个6 位数字加法机的视频，我知道 4 GHz 似乎是当前时代大规模生产的 CPU 的实际极限。为什么会这样？我试图想象像那台 6 位加法机 * 11（好吧，10.6666...），并排排列，并在一秒钟内运行 40 亿次。这让我费解。 XKCD 对此有另一种看法。

所以，对于你们所有人的物理学背景比我多得多，我想有几个问题可以归结为一个问题：为什么 4GHz 似乎是处理器的实际限制？是不是硅不能比这更快地切换（另一个元素会有所帮助）吗？电子在 1/4,000,000,000 秒内走多远，例如 Core 2 Duo 处理器和主板上的电路径有多长？4 GHz 是否是限制，因为电子无法从处理器获得，例如，在以光速行进时，进出内存的速度足够快？

Answer 1

重要的不是电子的速度，它真的很慢，而是推动它们四处移动的电场的群传播速度，大约是光速的 1/3。鉴于 2.4GHz 的波长大约为 12 厘米，4 GHz 芯片的问题在于芯片管芯的尺寸与时钟的波长相比非常大，因此它开始变得难以处理时钟偏差。

此外，随着时钟速度的提高，CPU 的功耗增加得非常快，并且在某些时候会过热。

Answer 2

每个电子在 0.25 ns 内几乎不移动，即使在这种处理器中流动数十安培也是如此。

“例如，在横截面为 0.5 mm2 的铜线中，承载 5 A 的电流，电子的漂移速度约为每秒一毫米。” 维基百科

幸运的是，我们不需要电子移动很远来携带非常快速移动很长距离的波。