Co je Clock Gating?

Rychlost hodin je důležitá pro výkon CPU. Alespoň tak by si to marketingové oddělení ve společnostech, které navrhují a prodávají CPU, přálo, abyste si to mysleli. Samozřejmě existuje mnoho dalších faktorů a váha všech z nich závisí na vašem případu použití. Videohra s lehkým vláknem bude obvykle těžit z jednoho bleskově rychlého jádra zálohovaného několika pomalejšími jádry. Renderovací počítač bude obvykle těžit z co největšího počtu jader, a zatímco rychlejší je lepší, více jader je ještě lepší. V mobilních prostředích je důležitý výkon, ale prvořadá je energetická účinnost, zvláště když není vyžadován špičkový výkon.

Výkon ve všech těchto scénářích ovlivňuje mnoho faktorů, ale jedním konstantním faktorem jsou hodiny. V CPU hodinový signál určuje, kdy se věci stanou. Vyšší frekvence hodin znamená více operací v daném čase. To zní skvěle, jistě jen chcete, aby to tikalo co nejrychleji, že? Ne tak rychle. Za prvé, každý tikot hodin způsobí puls energie. Tato síla musí odněkud pocházet. To má také za následek produkci tepla, které se pak musí odvádět. Za druhé, ve skutečnosti je opravdu těžké zajistit, aby vše zůstalo správně synchronizované, a čím rychleji tikají hodiny, je to těžší.

Řízení výkonu a teploty

Existují dvě hlavní použití elektrické energie. První je konstantní proud systému, který je napájen. Druhým je přepětí ze zapnutého systému. Hlavním zdrojem spotřeby energie v CPU je ve skutečnosti neustálé zapínání a vypínání obvodů. Toto přepínání řídí hodinový signál. To také samo o sobě přispívá netriviálním množstvím této spotřeby energie.

Jde o to, že některé části hardwaru na CPU nejsou potřeba v každém cyklu CPU. Ve většině hodinových cyklů nebude například potřeba samostatný registr. Vysílání hodinového signálu a rychlé zapínání a vypínání jako takové jednoduše plýtvá energií bez zisku. Clock gating je technika, která zabraňuje hodinovému signálu, aby dosáhl oblastí CPU, které nejsou potřebné pro daný cyklus hodin.

Hardware pro hodinové hradlování musí být umístěn v cestě hodinového signálu ke každé části funkce, kterou byste mohli chtít odpojit od hodin. Tam, kde je vždy a výlučně potřeba více funkcí společně, je možné je umístit za stejnou hodinovou bránu. Vypnutím hodinového signálu za bránou lze odstranit hlavní zdroj spotřeby energie. To může pomoci výrazně snížit spotřebu energie, což je zvláště důležité u zařízení napájených bateriemi.

Poznámka: Samotná hodinová brána spotřebovává energii, takže je důležité zajistit, aby byla používána pouze tam, kde ušetří více energie, než spotřebuje.

Absolutní rychlostní limit

Již dříve jsme zmínili, že je stále těžší synchronizovat rychlé hodiny. Bohužel je to tvrdé a rychlé pravidlo uložené základní fyzikou. Nejrychlejší rychlost, kterou se cokoli může pohybovat, je rychlost světla ve vakuu. To je zhruba tři sta milionů metrů za sekundu (nebo 670 600 000 mil za hodinu), což je opravdu rychlé. Další věc, která je opravdu rychlá, je rychlost hodin na moderních CPU. 5,7 GHz nebo 5,7 miliardy tiků za sekundu se převádí na jeden tikot hodin každých 175 pikosekund nebo 0,175 nanosekund. Když to dáte dohromady, můžete zjistit, jak daleko může světlo urazit v časovém rámci jediného tiknutí hodin. Je to 55 mm nebo 2,1 palce.

Nyní počítače neběží na fotonech, alespoň zatím ne, ačkoli fotonika je pokrokový obor. Počítače běží na elektronech, které se pohybují pomaleji. Také neexistuje jediná přímka, kterou by elektrony mohly cestovat, a v cestě je mnoho elektronických součástek. Každý z nich zpožďuje šíření signálu. Za tímto účelem musí být hodinový signál zaveden do CPU v mnoha různých bodech, aby byl skutečně správně synchronizován napříč celou věcí.

Jak již bylo zmíněno, zasahující elektronika zpomaluje šíření hodinového signálu. To platí i pro hodinové brány. Jako takové je při návrhu CPU důležité vzít to v úvahu. Je také důležité přesně pochopit, jaký vliv to může mít na celkový tvar hodinového signálu. Mírně zpožděná náběžná hrana může být kombinována se správně zarovnanou sestupnou hranou, což má za následek kratší periodu hodin a potenciálně neúplné funkce.

Závěr

Hodinová brána je součást obvodu používaná při návrhu procesoru. Zabraňuje nebo umožňuje synchronizačnímu hodinovému signálu dosáhnout jedné nebo více dalších komponent. To v podstatě funguje jako spínač. Hlavním účelem je ušetřit energii tím, že nebudete utrácet energii zapínáním a vypínáním obvodů, které nemají nic dělat. Zabraňuje také přeměně této energie na teplo. To ponechává více tepelného a energetického rozpočtu pro ostatní komponenty procesoru, které se používají. Případně snižuje celkové zatížení systému na napájecí a chladicí systém. Návrh systému musí počítat se zpožděním, které jakákoli součást, dokonce i přepínač, umístí na takto přesně načasovaný hodinový signál. Je také třeba dbát na to, aby otevření brány nevyslalo zkrácený hodinový signál, pokud je hodinový signál vysoký již při otevírání brány.