В основном это связано с длиной соединений и задержками распространения через ворота. Если мы сводим процессор к его сути, это машина обратной связи. Группа комбинаторных логических схем вычисляет некоторые булевы функции для текущего состояния машины, и эти функции определяют новое состояние, которое фиксируется последовательной схемой, когда наступает новый фронт тактового сигнала. Все комбинаторные схемы имеют задержки. Период времени не может быть короче, чем время, которое требуется медленному пути через эти ворота для получения стабильного результата, потому что один неверный бит останавливает показ.
Кроме того, последовательная логика имеет требования к синхронизации. До наступления фронта часов есть некоторое минимальное время установки, при котором входы должны быть стабильными, а затем впоследствии они должны быть стабильными в течение некоторого времени удержания. Если они нарушаются, государство становится мусором.
Задержки распространения вызваны такими факторами, как то, как быстро паразитные емкости могут заряжаться, как быстрый ток может накапливаться перед индуктивностью и как быстро кремниевые устройства могут переключаться. Например, биполярный транзистор с меньшей базой может переключаться быстрее, чем транзистор с большей базой, поэтому крошечный транзистор на микросхеме будет быстрее, чем дискретный.
В более раннем ответе, который я удалил, я написал об эффектах линии передачи. Но я не учел, что эти эффекты даже не проявляются на скоростях, о которых мы говорим, потому что, скажем, при 10 МГц длина волны все еще составляет около 30 метров. Таким образом, в масштабе печатной платы обычного размера импульсы в масштабе времени в несколько мегагерц все еще достигают всех частей медной сети одновременно.
Таким образом, если вы делаете ЦП из отдельных компонентов, вы просто не получаете маленькие компоненты с быстрым временем переключения и такой же близостью, которая сводит к минимуму паразитные емкости и индуктивности.
Тем не менее, древние машины с дискретными компонентами в 1960-х годах работали немного быстрее, чем эти машины домашнего приготовления. Потребовалось некоторое время и хитрость, чтобы добраться туда. Например, IBM 360 Model 44 (1964) работала на частоте 4 МГц. Возможно, это все еще «домашняя скорость», но CDC 7600, выпущенный всего несколько лет спустя, в 1969 году, превысил 36 МГц. Статья в Википедии http://en.wikipedia.org/wiki/CDC_7600 дает подсказку о некоторых хитростях, например:
«Как всегда, дизайн Cray также был сфокусирован на упаковке, чтобы уменьшить размер, сократить пути прохождения сигнала и, таким образом, увеличить рабочую частоту. ... Схема [E] ach фактически состояла из шести плат ПК, каждая из которых была оснащена сверхминиатюрными резисторами, диодами. и транзисторы. Шесть плат были сложены и затем соединены вдоль их краев, создавая очень компактный, но в основном неисправимый модуль ».
Таким образом, доморощенные процессоры не обязательно имеют свой истинный потенциал из-за некоторых мешающих эффектов, связанных с качеством сборки и компоновкой. Тем не менее, следует приветствовать любого, кто создает ЦП из отдельных интегральных микросхем и дискретных компонентов, работающих на несколько мегагерц.