Què és Clock Gating?

La velocitat del rellotge és important per al rendiment de la CPU. Almenys, això és el que voldria pensar el departament de màrqueting de les empreses que dissenyen i venen CPU. Per descomptat, hi ha molts altres factors i la ponderació de tots depèn del vostre cas d'ús. Un videojoc de fil lleuger normalment es beneficiarà d'un nucli ràpid d'il·luminació, recolzat per uns quants nuclis més lents. Un ordinador de renderització normalment es beneficiarà de tants nuclis com sigui possible i, encara que més ràpid és millor, més nuclis són encara millors. En entorns mòbils, el rendiment és important, però l'eficiència energètica és primordial, sobretot quan no es requereix un rendiment màxim.

Molts factors afecten el rendiment en tots aquests escenaris, però un factor constant és el rellotge. A la CPU, el senyal del rellotge determina quan passen les coses. Un ritme de rellotge més ràpid significa més operacions en un temps determinat. Això sona genial, segur que només voleu que s'aixequi el més ràpid possible, oi? No molt ràpid. En primer lloc, cada tictac del rellotge provoca un pols de potència. Aquest poder ha de venir d'algun lloc. També dóna lloc a la producció de calor, que després s'ha de dissipar. En segon lloc, és realment difícil assegurar-se que tot es mantingui correctament sincronitzat, i es fa més difícil com més ràpid avança el rellotge.

Gestió d'energia i tèrmica

Hi ha dos usos principals de l'energia elèctrica. El primer és el corrent constant d'un sistema que està encès. El segon és l'augment d'un sistema en marxa. La principal font d'ús d'energia en una CPU es deu en realitat a l'encesa i apagada constant dels circuits. El senyal del rellotge impulsa aquest canvi. També, per si sol, aporta una quantitat no trivial d'aquest ús d'energia.

El cas és que algunes peces de maquinari d'una CPU no són necessàries en cada cicle de la CPU. En la majoria dels cicles de rellotge, per exemple, no es necessitarà un registre individual. Com a tal, enviar-li un senyal de rellotge i fer-lo activar i apagar ràpidament simplement malgasta energia, sense guanys. Clock gating és la tècnica per evitar que el senyal del rellotge arribi a zones de la CPU que no són necessàries per a aquest cicle de rellotge en particular.

El maquinari per al control del rellotge s'ha de col·locar al camí del senyal del rellotge a cada peça de funcionalitat que vulgueu desactivar del rellotge. Quan es necessiten sempre i exclusivament múltiples bits de funcionalitat junts, pot ser possible col·locar-los darrere de la mateixa porta del rellotge. Si desactiveu el senyal del rellotge darrere de la porta, es pot eliminar la font principal d'ús d'energia. Això pot ajudar a reduir significativament el consum d'energia, que és especialment important per als dispositius que funcionen amb bateria.

Nota: la pròpia porta del rellotge fa servir energia, per la qual cosa és important assegurar-se que només s'utilitza quan estalviarà més energia de la que fa servir.

El límit de velocitat absolut

Hem esmentat abans que és més difícil sincronitzar rellotges ràpids. Malauradament, aquesta és una regla dura i ràpida imposada per la física bàsica. La velocitat més ràpida a la qual pot viatjar qualsevol cosa és la velocitat de la llum en el buit. Això són aproximadament tres-cents milions de metres per segon (o 670.600.000 milles per hora) que és molt ràpid. Una altra cosa que és molt ràpida és la velocitat del rellotge de les CPU modernes. 5,7 GHz o 5,7 mil milions de tics per segon es tradueixen en un rellotge cada 175 picosegons, o 0,175 nanosegons. Quan s'ajunten, podeu calcular fins a quin punt pot viatjar la llum en el període de temps d'un sol rellotge. Fa 55 mm o 2,1 polzades.

Ara els ordinadors no funcionen amb fotons, almenys encara no, encara que la fotònica és un camp avançant. Els ordinadors funcionen amb electrons que es mouen més lentament. Tampoc hi ha una sola línia recta perquè els electrons viatgin i hi ha molts components electrònics que estan en el camí. Cadascun d'aquests retarda la propagació del senyal. Amb aquesta finalitat, el senyal del rellotge s'ha d'introduir a una CPU en molts punts diferents per sincronitzar-se correctament en tot el conjunt.

Com s'ha esmentat, l'electrònica intervinguda frena la propagació del senyal del rellotge. Això és cert fins i tot per a les portes del rellotge. Com a tal, durant el disseny de la CPU, és important tenir-ho en compte. També és important entendre exactament quin efecte pot tenir això sobre la forma general del senyal del rellotge. Es pot combinar una vora d'atac lleugerament retardada amb una vora de baixada correctament alineada, donant lloc a un període de rellotge més curt i funcions potencialment incompletes.

Conclusió

Una porta de rellotge és un component de circuit utilitzat en el disseny del processador. Impedeix o permet que el senyal del rellotge de sincronització arribi a un o més components. Això actua bàsicament com un interruptor. L'objectiu principal és estalviar energia no gastant energia activant i apagant circuits que no haurien de fer res. També evita que aquesta energia es converteixi en calor. Això deixa més pressupost tèrmic i energètic per a altres components del processador que s'estan utilitzant. Alternativament, redueix la càrrega general del sistema al sistema d'alimentació i refrigeració. El disseny del sistema ha de tenir en compte el retard que qualsevol component, fins i tot un interruptor, posa en un senyal de rellotge tan ajustat. També s'ha de tenir cura de garantir que l'obertura de la porta no enviï un senyal de rellotge escurçat si el senyal de rellotge ja és alt quan s'obre la porta.