Hvad er Clock Gating?

Urhastigheden er vigtig for CPU-ydelsen. Det er i hvert fald, hvad marketingafdelingen i virksomheder, der designer og sælger CPU'er, gerne vil have dig til at tænke. Selvfølgelig er der mange andre faktorer, og vægtningen af ​​dem alle afhænger af din use case. Et videospil med let gevind vil typisk drage fordel af én lysende hurtig kerne, bakket op af et par langsommere kerner. En renderingscomputer vil typisk have gavn af så mange kerner som muligt, og selvom hurtigere er bedre, er flere kerner endnu bedre. I mobile miljøer er ydeevne vigtig, men strømeffektivitet er altafgørende, især når maksimal ydeevne ikke er påkrævet.

Mange faktorer påvirker ydeevnen i alle disse scenarier, men en konstant faktor er uret. I CPU'en bestemmer ursignalet, hvornår ting sker. En hurtigere clock tick rate betyder flere operationer på en given tid. Det lyder godt, så vil du vel bare have det til at tikke så hurtigt som muligt, ikke? Ikke så hurtigt. For det første forårsager hvert tikken på uret en kraftpuls. Denne magt skal komme et sted fra. Det resulterer også i produktion af varme, som så skal bortledes. For det andet er det faktisk rigtig svært at sikre, at alt forbliver korrekt synkroniseret, og det bliver sværere, jo hurtigere uret tikker.

Strøm- og termisk styring

Der er to hovedanvendelser af elektrisk strøm. Den første er den konstante strøm af et system, der er tændt. Den anden er stigningen fra et system, der tændes. Hovedkilden til strømforbrug i en CPU er faktisk på grund af den konstante kobling af kredsløb til og fra. Ursignalet driver denne omskiftning. Det bidrager også alene med en ikke-triviel mængde af det strømforbrug.

Sagen er, at nogle stykker hardware på en CPU ikke er nødvendige i hver CPU-cyklus. I de fleste urcyklusser vil et individuelt register f.eks. ikke være nødvendigt. Som sådan, at sende det et ur-signal og få det til at tænde og slukke hurtigt spilder simpelthen strøm, uden gevinst. Clock gating er teknikken til at forhindre ursignalet i at nå områder af CPU'en, der ikke er nødvendige for den pågældende clock-cyklus.

Hardwaren til clock gating skal placeres i stien for ursignalet til hvert stykke funktionalitet, som du måske ønsker at gate off fra uret. Hvor der altid og udelukkende er brug for flere funktioner sammen, kan det være muligt at placere dem bag den samme urport. Ved at deaktivere ursignalet bag porten kan hovedkilden til strømforbrug fjernes. Dette kan være med til at reducere strømforbruget markant, hvilket især er vigtigt for batteridrevne enheder.

Bemærk: Selve urporten bruger strøm, så det er vigtigt at sikre, at den kun bruges, hvor den vil spare mere strøm, end den bruger.

Den absolutte hastighedsgrænse

Vi nævnte før, at det bliver sværere at synkronisere hurtige ure. Desværre er det en hård og hurtig regel pålagt af grundlæggende fysik. Den hurtigste hastighed, hvormed noget kan rejse, er lysets hastighed i et vakuum. Det er cirka tre hundrede millioner meter i sekundet (eller 670.600.000 miles i timen), det er virkelig hurtigt. En anden ting, der er virkelig hurtig, er clockhastigheden på moderne CPU'er. 5,7 GHz eller 5,7 milliarder ticks per sekund oversættes til et clock tick hvert 175 picoseconds eller 0,175 nanosekunder. Når det er sat sammen, kan du regne ud, hvor langt lyset kan rejse inden for tidsrammen for et enkelt ur. Den er 55 mm eller 2,1 tommer.

Nu kører computere ikke på fotoner, i det mindste gør de det ikke endnu, selvom fotonik er et fremskridt område. Computere kører på elektroner, der bevæger sig langsommere. Der er heller ikke en eneste lige linje for elektroner at rejse, og der er mange elektroniske komponenter, der er i vejen. Hver af disse forsinker signaludbredelsen. Til det formål skal ursignalet introduceres til en CPU på mange forskellige punkter for faktisk at blive korrekt synkroniseret på tværs af det hele.

Som nævnt sænker intervenerende elektronik ursignalets udbredelse. Dette gælder selv for urporte. Som sådan er det vigtigt at tage højde for dette under CPU-design. Det er også vigtigt at forstå præcis, hvilken effekt dette kan have på den overordnede form af ursignalet. En lidt forsinket forkant kan kombineres med en korrekt justeret faldende kant, hvilket resulterer i en kortere clockperiode og potentielt ufuldstændige funktioner.

Konklusion

En Clock Gate er en kredsløbskomponent, der bruges i processordesign. Det forhindrer eller aktiverer synkroniseringskloksignalet i at nå en eller flere yderligere komponenter. Dette fungerer i det væsentlige som en kontakt. Hovedformålet er at spare strøm ved ikke at bruge strøm på at slå kredsløb til og fra, der ikke skal gøre noget. Det forhindrer også, at energien omdannes til varme. Dette efterlader mere termisk og strømbudget til andre komponenter i processoren, der bliver brugt. Alternativt reducerer det den samlede systembelastning på strøm- og kølesystemet. Systemdesign skal tage højde for den forsinkelse, som alle komponenter, selv en switch placerer på et så stramt timet ursignal. Man skal også sørge for, at åbning af porten ikke sender et forkortet ursignal, hvis ursignalet allerede er højt, når porten åbnes.