Mikä on Clock Gating?

Kellonopeus on tärkeä suorittimen suorituskyvyn kannalta. Näin ainakin prosessoreita suunnittelevien ja myyvien yritysten markkinointiosasto haluaisi sinun ajattelevan. Tietenkin on monia muita tekijöitä, ja niiden kaikkien painotus riippuu käyttötapauksestasi. Kevyesti kierteitetty videopeli hyötyy yleensä yhdestä nopeasta valaistuksesta, jota tukee muutama hitaampi ydin. Renderöivä tietokone yleensä hyötyy mahdollisimman monesta ytimestä, ja vaikka nopeampi on parempi, useampi ydin on vielä parempi. Mobiiliympäristöissä suorituskyky on tärkeä, mutta tehokkuus on ensiarvoisen tärkeää, varsinkin kun huipputehoa ei vaadita.

Monet tekijät vaikuttavat suorituskykyyn kaikissa näissä skenaarioissa, mutta yksi pysyvä tekijä on kello. CPU:ssa kellosignaali määrittää, milloin asioita tapahtuu. Nopeampi kellotaajuus tarkoittaa enemmän toimintoja tietyssä ajassa. Tämä kuulostaa hyvältä, varmasti haluat vain sen tikittävän mahdollisimman nopeasti, eikö niin? Ei niin nopeasti. Ensinnäkin, jokainen kellon tikitys aiheuttaa voimapulssin. Tämän voiman on tultava jostain. Se johtaa myös lämmön tuotantoon, joka on sitten hajotettava. Toiseksi on todella vaikea varmistaa, että kaikki pysyy oikein synkronoituna, ja se vaikeutuu mitä nopeammin kello tikittää.

Tehon ja lämmön hallinta

Sähkövoimalla on kaksi pääkäyttötapaa. Ensimmäinen on päälle kytketyn järjestelmän vakiovirta. Toinen on järjestelmän päällekytkennän aiheuttama ylijännite. Prosessorin pääasiallinen virrankulutus johtuu itse asiassa piirien jatkuvasta kytkemisestä päälle ja pois. Kellosignaali ohjaa tätä vaihtoa. Se myös yksin myötävaikuttaa ei-triviaaliseen määrään virrankulutuksesta.

Asia on, että joitain CPU:n laitteistoja ei tarvita jokaisessa suorittimen syklissä. Useimmissa kellojaksoissa esimerkiksi yksittäistä rekisteriä ei tarvita. Sellaisenaan kellosignaalin lähettäminen ja sen kytkeminen päälle ja pois nopeasti yksinkertaisesti tuhlaa tehoa ilman voittoa. Kelloavainnus on tekniikka, jolla estetään kellosignaalia saavuttamasta CPU:n alueita, joita ei tarvita kyseisessä kellojaksossa.

Kellon portauksen laitteisto on sijoitettava kellosignaalin polulle jokaiseen toimintoon, jonka haluat ehkä portilla kellosta. Kun useita toiminnallisuuden bittejä tarvitaan aina ja yksinomaan yhdessä, ne voidaan sijoittaa saman kelloportin taakse. Poistamalla portin takana oleva kellosignaali, päävirtalähde voidaan poistaa. Tämä voi auttaa vähentämään merkittävästi virrankulutusta, mikä on erityisen tärkeää akkukäyttöisille laitteille.

Huomaa: Kelloportti itse käyttää virtaa, joten on tärkeää varmistaa, että sitä käytetään vain siellä, missä se säästää enemmän virtaa kuin kuluttaa.

Absoluuttinen nopeusrajoitus

Mainitsimme aiemmin, että nopeiden kellojen synkronointi on vaikeampaa. Valitettavasti se on perusfysiikan määräämä kova ja nopea sääntö. Nopein nopeus, jolla kaikki voi kulkea, on valon nopeus tyhjiössä. Se on noin kolmesataa miljoonaa metriä sekunnissa (eli 670 600 000 mailia tunnissa), mikä on todella nopeaa. Toinen todella nopea asia on nykyaikaisten suorittimien kellotaajuus. 5,7 GHz eli 5,7 miljardia tikitystä sekunnissa tarkoittaa yhtä kellon tikitystä 175 pikosekunnissa eli 0,175 nanosekunnissa. Yhdistettynä voit laskea, kuinka kauas valo voi kulkea yhden kellon tikityksen aikana. Se on 55 mm tai 2,1 tuumaa.

Nykyään tietokoneet eivät toimi fotoneilla, ainakaan vielä, vaikka fotoniikka onkin kehittyvä ala. Tietokoneet käyttävät elektroneja, jotka liikkuvat hitaammin. Ei myöskään ole yhtä suoraa linjaa elektronien kulkemiseen, ja tiellä on monia elektronisia komponentteja. Jokainen näistä viivästyttää signaalin etenemistä. Tätä tarkoitusta varten kellosignaali on tuotava prosessoriin useissa eri kohdissa, jotta se todella synkronoidaan kunnolla koko asian läpi.

Kuten mainittiin, väliin tuleva elektroniikka hidastaa kellosignaalin etenemistä. Tämä pätee jopa kelloportteihin. Tämän vuoksi on tärkeää ottaa tämä huomioon suorittimen suunnittelussa. On myös tärkeää ymmärtää tarkalleen, mikä vaikutus tällä voi olla kellosignaalin yleiseen muotoon. Hieman viivästynyt etureuna voidaan yhdistää oikein kohdistettuun laskevaan reunaan, mikä johtaa lyhyempään kellojaksoon ja mahdollisesti epätäydellisiin toimintoihin.

Johtopäätös

Kelloportti on prosessorin suunnittelussa käytetty piirikomponentti. Se estää tai mahdollistaa synkronoivan kellosignaalin saavuttamisen yhtä tai useampaa lisäkomponenttia. Tämä toimii käytännössä kytkimenä. Päätarkoituksena on säästää virtaa olemalla kuluttamatta virtaa kytkemällä päälle ja pois virtapiirejä, joiden ei pitäisi tehdä mitään. Se myös estää tämän energian muuttumisen lämmöksi. Tämä jättää enemmän lämpö- ja tehobudjettia muille prosessorin komponenteille, joita käytetään. Vaihtoehtoisesti se vähentää teho- ja jäähdytysjärjestelmän kokonaiskuormitusta. Järjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon viive, jonka kaikki komponentit, jopa kytkin, asettavat niin tiukasti ajastettuun kellosignaaliin. On myös huolehdittava siitä, että portin avaaminen ei lähetä lyhennettyä kellosignaalia, jos kellosignaali on jo korkea portin avautuessa.