Que é Clock Gate?

A velocidade do reloxo é importante para o rendemento da CPU. Polo menos, iso é o que lle gustaría pensar ao departamento de marketing das empresas que deseñan e venden CPU. Por suposto, hai moitos outros factores e a ponderación de todos eles depende do teu caso de uso. Un videoxogo con fíos lixeiros normalmente beneficiarase dun núcleo rápido de iluminación, apoiado por algúns núcleos máis lentos. Un ordenador de renderizado normalmente beneficiarase do maior número de núcleos posible e, aínda que máis rápido é mellor, máis núcleos son aínda mellores. En contornas móbiles o rendemento é importante pero a eficiencia energética é primordial, especialmente cando non se require o máximo rendemento.

Moitos factores afectan o rendemento en todos estes escenarios, pero un factor constante é o reloxo. Na CPU o sinal do reloxo determina cando suceden as cousas. Unha taxa de reloxo máis rápida significa máis operacións nun tempo determinado. Isto soa moi ben, seguro que só queres que marche o máis rápido posible, non? Non tan rápido. En primeiro lugar, cada tic do reloxo provoca un pulso de potencia. Este poder ten que vir de algún lugar. Tamén dá lugar á produción de calor, que despois debe disiparse. En segundo lugar, é realmente difícil asegurarse de que todo estea correctamente sincronizado, e faise máis difícil canto máis rápido vai o reloxo.

Xestión eléctrica e térmica

Hai dous usos principais da enerxía eléctrica. O primeiro é a corrente constante dun sistema que está acendido. O segundo é o aumento dun sistema que está acendido. A principal fonte de consumo de enerxía nunha CPU débese en realidade ao aceso e apagado constante dos circuítos. O sinal do reloxo impulsa esa conmutación. Tamén, por si só, contribúe cunha cantidade non trivial dese uso de enerxía.

O caso é que algunhas pezas de hardware nunha CPU non son necesarias en cada ciclo da CPU. Na maioría dos ciclos de reloxo, por exemplo, non será necesario un rexistro individual. Polo tanto, enviarlle un sinal de reloxo e facer que se active e desactive rapidamente simplemente desperdicia enerxía sen ningún beneficio. Clock gating é a técnica de evitar que o sinal do reloxo chegue a áreas da CPU que non son necesarias para ese ciclo de reloxo en particular.

O hardware para a porta do reloxo debe colocarse no camiño do sinal do reloxo a cada peza de funcionalidade que pode querer desactivar o reloxo. Onde sempre e exclusivamente se necesitan varios bits de funcionalidade xuntos, pode ser posible colocalos detrás da mesma porta do reloxo. Ao desactivar o sinal do reloxo detrás da porta, pódese eliminar a fonte principal de consumo de enerxía. Isto pode axudar a diminuír significativamente o consumo de enerxía, o que é especialmente importante para os dispositivos que funcionan con batería.

Nota: a propia porta do reloxo usa enerxía, polo que é importante asegurarse de que só se usa onde aforrará máis enerxía da que usa.

O límite de velocidade absoluto

Mencionamos antes que é máis difícil sincronizar reloxos rápidos. Desafortunadamente, esa é unha regra dura e rápida imposta pola física básica. A velocidade máis rápida á que calquera cousa pode viaxar é a velocidade da luz no baleiro. Son uns trescentos millóns de metros por segundo (ou 670.600.000 millas por hora) que son moi rápidos. Outra cousa que é moi rápida é a velocidade do reloxo das CPU modernas. 5,7 GHz ou 5,7 mil millóns de ticks por segundo tradúcense nun reloxo cada 175 picosegundos ou 0,175 nanosegundos. Cando se xuntan, pode calcular ata onde pode viaxar a luz no período de tempo dun único reloxo. É de 55 mm ou 2,1 polgadas.

Agora os ordenadores non funcionan con fotóns, polo menos aínda non o fan aínda que a fotónica é un campo en avance. Os ordenadores funcionan con electróns que se moven máis lentamente. Tampouco hai unha soa liña recta para que os electróns viaxan e hai moitos compoñentes electrónicos que están no camiño. Cada un destes atrasa a propagación do sinal. Para iso, o sinal do reloxo debe introducirse nunha CPU en moitos puntos diferentes para que se sincronice correctamente en todo o asunto.

Como se mencionou, a electrónica interposta retarda a propagación do sinal do reloxo. Isto é certo mesmo para as portas do reloxo. Polo tanto, durante o deseño da CPU, é importante telo en conta. Tamén é importante comprender exactamente o efecto que isto pode ter na forma xeral do sinal do reloxo. Pódese combinar un bordo de ataque lixeiramente atrasado cun bordo descendente aliñado correctamente, o que resulta nun período de reloxo máis curto e funcións potencialmente incompletas.

Conclusión

Un Clock Gate é un compoñente de circuíto usado no deseño de procesadores. Evita ou permite que o sinal do reloxo de sincronización chegue a un ou máis compoñentes. Isto actúa esencialmente como un interruptor. O obxectivo principal é aforrar enerxía sen gastar enerxía activando e desactivando circuítos que non deberían facer nada. Tamén evita que esa enerxía se converta en calor. Isto deixa máis orzamento térmico e de enerxía para outros compoñentes do procesador que se están a utilizar. Alternativamente, reduce a carga global do sistema no sistema de enerxía e refrixeración. O deseño do sistema debe ter en conta o atraso que calquera compoñentes, incluso un interruptor, coloca nun sinal de reloxo tan axustado. Tamén hai que ter coidado para asegurarse de que ao abrir a porta non se envíe un sinal de reloxo acurtado se o sinal do reloxo xa é alto cando a porta se abre.