Какво е Clock Gating?

Тактовата честота е важна за производителността на процесора. Поне това е, което маркетинговият отдел на компаниите, които проектират и продават процесори, биха искали да мислите. Разбира се, има много други фактори и тежестта на всички тях зависи от вашия случай на употреба. Видео игра с лека нишка обикновено ще се възползва от едно бързо светещо ядро, подкрепено от няколко по-бавни ядра. Компютърът за изобразяване обикновено ще се възползва от възможно най-много ядра и докато по-бързото е по-добро, повече ядра са още по-добри. В мобилни среди производителността е важна, но енергийната ефективност е от първостепенно значение, особено когато не се изисква пикова производителност.

Много фактори влияят върху производителността във всички тези сценарии, но един постоянен фактор е часовникът. В процесора часовниковият сигнал определя кога се случват нещата. По-бързият такт на часовника означава повече операции за дадено време. Това звучи страхотно, със сигурност просто искате да тиктака възможно най-бързо, нали? Не толкова бързо. Първо, всяко тиктакане на часовника предизвиква импулс на мощност. Тази сила трябва да дойде отнякъде. Това също води до производство на топлина, която след това трябва да се разсее. Второ, всъщност е много трудно да се гарантира, че всичко остава правилно синхронизирано и става по-трудно, колкото по-бързо тиктака часовникът.

Управление на мощността и топлината

Има две основни приложения на електрическата енергия. Първият е постоянният ток на системата, която е включена. Второто е пренапрежението от включена система. Основният източник на потребление на енергия в процесора всъщност се дължи на постоянното включване и изключване на веригите. Сигналът на часовника управлява това превключване. Той също така, сам по себе си, допринася за нетривиално количество от това потребление на енергия.

Работата е там, че някои части от хардуера на процесора не са необходими във всеки цикъл на процесора. В повечето часовникови цикли няма да е необходим индивидуален регистър например. Като такъв, изпращането на часовников сигнал и бързото му превключване и изключване просто губи енергия без никаква печалба. Clock gating е техниката за предотвратяване на тактовия сигнал от достигане до области на процесора, които не са необходими за този конкретен тактов цикъл.

Хардуерът за стробиране на часовника трябва да бъде поставен по пътя на сигнала на часовника към всяка част от функционалността, която може да искате да изключите от часовника. Когато множество бита функционалност са винаги и изключително необходими заедно, може да е възможно да ги поставите зад един и същ часовник. Чрез деактивиране на часовниковия сигнал зад портата, основният източник на потребление на енергия може да бъде премахнат. Това може да помогне за значително намаляване на консумацията на енергия, което е особено важно за устройства, захранвани от батерии.

Забележка: Самият часовник използва енергия, така че е важно да се гарантира, че се използва само там, където ще спести повече енергия, отколкото използва.

Абсолютното ограничение на скоростта

Споменахме преди, че става по-трудно да се синхронизират бързи часовници. За съжаление, това е твърдо и бързо правило, наложено от основната физика. Най-бързата скорост, с която може да се движи нещо, е скоростта на светлината във вакуум. Това е приблизително триста милиона метра в секунда (или 670 600 000 мили в час), което е наистина бързо. Друго нещо, което е наистина бързо, е тактовата честота на съвременните процесори. 5,7 GHz или 5,7 милиарда такта в секунда се превежда като един такт на всеки 175 пикосекунди или 0,175 наносекунди. Когато се съберат заедно, можете да разберете колко далеч може да измине светлината в рамките на един часовник. Той е 55 мм или 2,1 инча.

Сега компютрите не работят с фотони, поне все още не работят, въпреки че фотониката е напреднала област. Компютрите работят с електрони, които се движат по-бавно. Освен това няма нито една права линия, по която да пътуват електроните и има много електронни компоненти, които пречат. Всеки от тях забавя разпространението на сигнала. За тази цел часовниковият сигнал трябва да бъде въведен в процесора в много различни точки, за да бъде всъщност правилно синхронизиран в цялото нещо.

Както споменахме, намесващата се електроника забавя разпространението на часовниковия сигнал. Това важи дори за портите на часовника. Като такова, по време на проектирането на процесора е важно това да се вземе предвид. Също така е важно да разберете какъв точно ефект може да има това върху цялостната форма на часовниковия сигнал. Леко забавен преден ръб може да се комбинира с правилно подравнен падащ ръб, което води до по-кратък тактов период и потенциално непълни функции.

Заключение

Clock Gate е компонент на верига, използван при проектирането на процесори. Той предотвратява или позволява на синхронизиращия часовников сигнал да достигне до един или повече допълнителни компоненти. Това по същество действа като превключвател. Основната цел е да се пести енергия, като не се харчи енергия за включване и изключване на вериги, които не трябва да правят нищо. Освен това предотвратява преобразуването на тази енергия в топлина. Това оставя повече топлинен и енергиен бюджет за другите компоненти на процесора, които се използват. Алтернативно, той намалява общото системно натоварване на захранващата и охладителната система. Дизайнът на системата трябва да отчете закъснението, което всеки компонент, дори превключвател, поставя върху такъв точно синхронизиран часовников сигнал. Трябва също да се внимава, за да се гарантира, че отварянето на вратата не изпраща съкратен часовников сигнал, ако часовниковият сигнал вече е висок, когато вратата се отваря.