Mikä on kellotaajuus?

Suurin osa tietokoneiden prosessoreista toimii kellotaajuudella. Kellotaajuus on prosessorin kellogeneraattorin värähtelytaajuuden mitta. Näitä kellopulsseja käytetään prosessorin toimintojen synkronointiin ja ne ovat kohtuullinen indikaattori prosessorin nopeudesta. Toisin sanoen se on nopeus, jolla CPU voi suorittaa tiettyjä toimintoja.

Kellotaajuutta mitataan sykleinä sekunnissa käyttämällä SI-yksikköä hertsejä. Nykyaikaiset prosessorit ja GPU:t mitataan tyypillisesti gigahertseinä (GHz) tai miljardeina sykleinä sekunnissa. Historiallisesti megahertsejä (MHz) ja jopa kilohertsejä (kHz) on käytetty, kun prosessorin kellotaajuudet olivat alhaisemmat.

Kello ei ole siellä, missä luulet sen olevan

Saatat ajatella, että todellinen kellogeneraattori, jota käytetään CPU:n kellotaajuuden asettamiseen, on itse CPU:ssa. Kellogeneraattori sijaitsee emolevyn CPU-piirisarjassa. Piirisarja asettaa peruskellon. Tämä on tyypillisesti täsmälleen 100 MHz. Prosessori asettaa sitten kellonopeudensa soveltamalla kerrointa peruskelloon.

Ydinoskillaattori, joka asettaa kellotaajuuden, on kvartsikide, joka värähtelee täsmälleen yhdellä taajuudella, kun sähkövaraus kohdistetaan. Kertoimen käyttö tarkoittaa, että on mahdollista muuttaa suorittimen todellista kellotaajuutta mielensä mukaan. Tästä voi olla hyötyä, kun yritetään säästää virtaa joutokäynnillä tai kun yritetään lisätä tehoa kuormitettuna. Ylikellotus on prosessi, jolla tätä kerrointa lisätään manuaalisesti.

Jotkut emolevyt tarjoavat toisen peruskellon, joka voi toimia 125 MHz:llä. Tämä muodostaa toisen fyysisen kvartsikiteen, joka värähtelee nopeammin. Kuten arvata saattaa, tämä voi lisätä järjestelmän suorituskykyä jopa lukitulla kertoimella varustetuissa prosessoreissa, koska se on nyt suljettu suuremman arvon kertomiselta. Valitettavasti tämä voi aiheuttaa vakausongelmia muiden komponenttien kanssa, koska periaatteessa kaikki olettaa 100 MHz peruskelloa. Kilometrimääräsi voi vaihdella, mutta tämä ei yleensä ole suositeltavaa.

Sallitaan nopeusrajoitukset

Sähköpiireissä olevat elektronit voivat kulkea melko nopeasti, tyypillisesti kaksi kolmasosaa valon nopeudesta. Se saattaa kuulostaa nopealta, mutta GHz-alueen kellotaajuuksissa on joitain ongelmia. 5 GHz:n kellotaajuudella suorittimen kello värähtelee kerran 0,2 nanosekunnissa. Universumin absoluuttinen nopeusrajoitus on valon nopeus tyhjiössä. Valon nopeus on erittäin nopea, lähes 300 miljoonaa metriä sekunnissa. Silti valo kulkee 0,2 nanosekunnissa vain 6 senttimetriä tai 2,4 tuumaa.

Nykyään prosessorit eivät ole erityisen suuria, mutta ne ovat kooltaan suhteellisen lähellä kuutta senttimetriä. Polku a – valoa hitaampi – elektronin kulkisi prosessorin läpi on tuskin suora. Tämä johtaa koherenssiongelmiin, koska - yhdellä kellolla - prosessorin toinen puoli saisi kellopulssin myöhemmin. Tämän torjumiseksi suorittimissa on useita kelloja, jotka kaikki on synkronoitu huolellisesti, mutta jotka kattavat paljon pienemmän alueen kokonaisprosessorissa. Tämän ansiosta nykyaikaiset nopeat suorittimet pysyvät synkronoituina.

Binning

Prosessorit on suunniteltu toimimaan tietyllä kellonopeudella. Valmistajat myyvät niitä taatulla kellotaajuudella. Nopeat mallit ovat lähes aina kalliimpia. Jopa ilman vikoja, valmistustoleranssit johtavat pieniin vaihteluihin, jotka vaikuttavat suorituskykyyn. Ennen kuin jokainen CPU myydään, se testataan sen ominaisuuksien varmistamiseksi. Se lajitellaan korkean suorituskyvyn "lokeroon", jos se voi saavuttaa korkeimman kellotaajuuden.

Samoin suorittimet, jotka eivät saavuta huippunopeuksia, mutta voivat saavuttaa alemmille prosessoritasoille tarkoitetut nopeudet, lajitellaan alhaisemman suorituskyvyn laatikoihin. Tätä prosessia kutsutaan "binningiksi" ja se tarkoittaa yleensä sitä, että kalliimmat suorittimet pystyvät todennäköisesti toimimaan korkeammalla kellotaajuudella. Alemmalla alustalla olevien suoritinten suorituskyky voi olla parempi kuin niiden mainostettu taso. Ne eivät kuitenkaan välttämättä pysty ylittämään sitä, koska niitä ei yleensä ole sijoitettu korkeampiin roskakoriin.

Kaikki suorittimet eivät kuitenkaan ole täydellisiä, ja valmistusvirheet voivat yksinkertaisesti estää suorittimen toiminnan. Nämä valmistusvirheet voivat joskus olla niin pieniä, että tietyt ominaisuudet voidaan yksinkertaisesti poistaa käytöstä. Jos esimerkiksi suorittimessa on pieni vika, tämä voi estää yhtä ydintä toimimasta, kun muun prosessorin osa on kunnossa.

Tuotteen myymiseksi valmistaja tyypillisesti poistaa käytöstä vahingoittuneet osat – ja tarvittaessa tuotetason täyttämiseksi – jopa jotkin täysin toimivat osat. Tämä voi antaa valmistajalle mahdollisuuden myydä esimerkiksi kuuden ytimen prosessorin neliytimisenä, mikä silti ansaitsee enemmän rahaa kuin pelkkä kalliin tuotteen hävittäminen. Tyypillisesti tämä ei vaikuta suoraan kellotaajuuteen, vaikka se voi tarkoittaa, että se, mikä olisi ollut huippuluokan CPU, sijoitetaan alemmalle tasolle yksinkertaisesti siksi, että jotkin osat on poistettu käytöstä.

Johtopäätös

Kellotaajuus on kriittinen tekijä suorittimen suorituskyvyssä, vaikka se ei välttämättä ole suoraan vertailukelpoinen suorittimen arkkitehtuurien välillä. Prosessorin kellotaajuus asetetaan itse asiassa epäsuorasti. Tavallista 100 MHz:n peruskelloa käytetään lähes kaikissa tietokoneissa.

CPU asettaa sitten kertoimen tälle peruskellolle saadakseen sen todellisen kellotaajuuden. Suorittimet myydään takuulla, että ne toimivat tietyllä tai sitä pienemmällä kellotaajuudella. Monissa tapauksissa ne voidaan työntää pidemmälle ylikellotuksen avulla. Se vaatii kuitenkin usein hyvää jäähdytystä, koska se kuluttaa enemmän tehoa ja tuottaa enemmän lämpöä.