Mis on Clock Gating?

Kella kiirus on protsessori jõudluse jaoks oluline. Vähemalt nii tahaks CPU-sid kavandavate ja müüvate ettevõtete turundusosakond, et te arvaksite. Muidugi on palju muid tegureid ja nende kõigi kaal sõltub teie kasutusjuhtumist. Kerge keermega videomängu jaoks on tavaliselt kasulik üks kiire valgustustuum, mida toetavad mõned aeglasemad tuumad. Renderdusarvuti saab tavaliselt kasu võimalikult paljudest tuumadest ja kuigi kiirem on parem, on rohkem südamikke veelgi parem. Mobiilsetes keskkondades on jõudlus oluline, kuid energiatõhusus on ülitähtis, eriti kui tippjõudlust pole vaja.

Kõigi nende stsenaariumide toimivust mõjutavad paljud tegurid, kuid üks püsiv tegur on kell. CPU-s määrab kella signaal, millal asjad juhtuvad. Kiirem kella tiksumise kiirus tähendab rohkem toiminguid antud aja jooksul. See kõlab suurepäraselt, kindlasti soovite, et see tiksuks nii kiiresti kui võimalik, eks? Mitte nii kiiresti. Esiteks põhjustab iga kella tiksumine jõuimpulsi. Kuskilt peab see jõud tulema. Selle tulemuseks on ka soojuse tootmine, mis tuleb seejärel hajutada. Teiseks on tegelikult väga raske tagada, et kõik oleks korralikult sünkroonitud, ja see muutub seda raskemaks, mida kiiremini kell tiksub.

Toite- ja soojusjuhtimine

Elektrienergial on kaks peamist kasutusviisi. Esimene on sisselülitatud süsteemi pidev vool. Teine on sisselülitatavast süsteemist tulenev tõus. Peamine toiteallikas protsessoris on tegelikult tingitud vooluahelate pidevast sisse- ja väljalülitamisest. Kellasignaal käivitab selle ümberlülitamise. Ainuüksi see aitab kaasa ka mittetriviaalsele hulgale energiakasutusele.

Asi on selles, et mõnda CPU riistvara pole igas CPU tsüklis vaja. Enamiku kellatsüklite puhul pole näiteks individuaalset registrit vaja. Sellisena raiskab sellele kellasignaali saatmine ja selle kiire sisse- ja väljalülitamine lihtsalt energiat ilma tuluta. Kella värav on meetod, mis takistab kella signaali jõudmist protsessori piirkondadesse, mida selle konkreetse kellatsükli jaoks ei vajata.

Kellavärava riistvara tuleb paigutada kellasignaali teele iga funktsionaalsuse osa juurde, mille võiksite kellalt eemaldada. Kui mitut funktsionaalsuse bitti on alati ja eranditult koos vaja, saab need paigutada sama kellavärava taha. Kui lülitate värava taga oleva kellasignaali välja, saab peamise toiteallika eemaldada. See võib aidata oluliselt vähendada energiatarbimist, mis on eriti oluline akutoitega seadmete puhul.

Märkus. Kellavärav ise kasutab energiat, seega on oluline tagada, et seda kasutatakse ainult seal, kus see säästab rohkem energiat kui kasutab.

Absoluutne kiiruspiirang

Mainisime varem, et kiirete kellade sünkroonimine muutub raskemaks. Kahjuks on see põhifüüsika poolt kehtestatud karm ja kiire reegel. Kiireim kiirus, millega kõik saab liikuda, on valguse kiirus vaakumis. See on umbes kolmsada miljonit meetrit sekundis (ehk 670 600 000 miili tunnis), mis on tõesti kiire. Teine asi, mis on väga kiire, on tänapäevaste protsessorite taktsagedus. 5,7 GHz ehk 5,7 miljardit tiksumist sekundis tähendab, et üks kell tiksub iga 175 pikosekundi ehk 0,175 nanosekundi järel. Kokkupanduna saate välja mõelda, kui kaugele võib valgus ühe kella tiksumise aja jooksul liikuda. See on 55 mm või 2,1 tolli.

Nüüd ei tööta arvutid footonitega, vähemalt ei tööta veel, kuigi fotoonika on arenev valdkond. Arvutid töötavad elektronidel, mis liiguvad aeglasemalt. Samuti pole elektronide liikumiseks ühtegi sirgjoont ja teel on palju elektroonilisi komponente. Kõik need viivitavad signaali levikut. Selleks tuleb kella signaal CPU-sse sisestada paljudes erinevates punktides, et see oleks tegelikult kogu asja ulatuses korralikult sünkroonitud.

Nagu mainitud, aeglustab sekkuv elektroonika kella signaali levikut. See kehtib isegi kellaväravate kohta. Seetõttu on protsessori kavandamisel oluline seda arvesse võtta. Samuti on oluline mõista täpselt, millist mõju see võib kellasignaali üldisele kujule avaldada. Veidi viivitatud esiserva saab kombineerida õigesti joondatud langeva servaga, mille tulemuseks on lühem kellaperiood ja potentsiaalselt mittetäielikud funktsioonid.

Järeldus

Kellavärav on protsessori kujundamisel kasutatav vooluahela komponent. See takistab või võimaldab sünkroniseeriva kella signaali jõudmist ühe või mitme täiendava komponendini. See toimib sisuliselt lülitina. Peamine eesmärk on säästa energiat, mitte kulutades energiat vooluahelate sisse- ja väljalülitamiseks, mis ei peaks midagi tegema. Samuti takistab see selle energia muundamist soojuseks. See jätab rohkem soojus- ja võimsuseelarvet teistele kasutatavatele protsessori komponentidele. Teise võimalusena vähendab see süsteemi üldist koormust toite- ja jahutussüsteemile. Süsteemi projekteerimisel tuleb arvestada viivitusega, mille mis tahes komponendid, isegi lüliti, asetavad sellisele tihedalt ajastatud kellasignaalile. Samuti tuleb jälgida, et värava avamisel ei saadaks lühenenud kellasignaali, kui kell on juba värava avanedes kõrgel.