Što je Clock Gating?

Brzina takta je važna za rad CPU-a. Barem, to je ono što odjel marketinga u tvrtkama koje dizajniraju i prodaju procesore želi da mislite. Naravno, postoji mnogo drugih čimbenika, a težina svih njih ovisi o vašem slučaju upotrebe. Video igrica s laganim nitima obično će imati koristi od jedne svjetleće brze jezgre, podržane s nekoliko sporijih jezgri. Računalo za renderiranje obično će imati koristi od što više jezgri, a dok je brže bolje, više jezgri je još bolje. U mobilnim okruženjima performanse su važne, ali energetska učinkovitost je najvažnija, posebno kada se ne zahtijevaju vrhunske performanse.

Mnogi čimbenici utječu na izvedbu u svim ovim scenarijima, ali jedan stalni čimbenik je sat. U CPU-u signal sata određuje kada se stvari događaju. Brži otkucaji sata znači više operacija u određenom vremenu. Ovo zvuči sjajno, sigurno samo želite da otkucava što je brže moguće, zar ne? Ne tako brzo. Prvo, svaki otkucaj sata uzrokuje puls snage. Ova moć mora doći odnekud. To također rezultira proizvodnjom topline, koja se potom mora raspršiti. Drugo, zapravo je jako teško osigurati da sve ostane pravilno sinkronizirano, a to postaje teže što sat brže otkucava.

Upravljanje napajanjem i toplinom

Dvije su glavne upotrebe električne energije. Prvi je konstantna struja sustava koji je uključen. Drugi je udar iz sustava koji je uključen. Glavni izvor potrošnje energije u CPU-u je zapravo stalno uključivanje i isključivanje krugova. Signal sata pokreće to prebacivanje. Također, sam, doprinosi ne-trivijalnoj količini te potrošnje energije.

Stvar je u tome što neki dijelovi hardvera na CPU-u nisu potrebni u svakom CPU ciklusu. U većini taktnih ciklusa, na primjer, pojedinačni registar neće biti potreban. Kao takvo, slanje signala sata i izazivanje brzog uključivanja i isključivanja jednostavno troši energiju, bez ikakvog dobitka. Clock gating je tehnika sprječavanja signala takta da dopre do područja CPU-a koja nisu potrebna za taj određeni ciklus takta.

Hardver za usmjeravanje sata mora biti postavljen na putanju signala sata do svakog dijela funkcionalnosti koji možda želite isključiti iz sata. Tamo gdje su višestruki dijelovi funkcionalnosti uvijek i isključivo potrebni zajedno, moguće ih je smjestiti iza istih vrata sata. Isključivanjem signala sata iza vrata može se ukloniti glavni izvor potrošnje energije. To može značajno smanjiti potrošnju energije, što je posebno važno za uređaje koji se napajaju baterijama.

Napomena: Vrata sata sama po sebi koriste energiju, stoga je važno osigurati da se koriste samo tamo gdje će uštedjeti više energije nego što koriste.

Apsolutno ograničenje brzine

Prije smo spomenuli da postaje teže sinkronizirati brze satove. Nažalost, to je čvrsto i brzo pravilo koje nameće osnovna fizika. Najveća brzina kojom bilo što može putovati je brzina svjetlosti u vakuumu. To je otprilike tristo milijuna metara u sekundi (ili 670 600 000 milja na sat) što je stvarno brzo. Još jedna stvar koja je stvarno brza je brzina takta na modernim procesorima. 5,7 GHz ili 5,7 milijardi otkucaja u sekundi znači jedan otkucaj sata svakih 175 pikosekundi, ili 0,175 nanosekundi. Kada se to sabere, možete izračunati koliko daleko svjetlost može putovati u vremenskom okviru od jednog otkucaja sata. Ima 55 mm ili 2,1 inča.

Sada računala ne rade na fotonima, barem još ne rade iako je fotonika polje u razvoju. Računala rade na elektronima koji se kreću sporije. Također ne postoji niti jedna ravna linija kojom bi elektroni mogli putovati, a mnoge elektroničke komponente su na putu. Svaki od njih usporava širenje signala. U tu svrhu, signal takta treba biti uveden u CPU na mnogo različitih točaka kako bi zapravo bio pravilno sinkroniziran u cijeloj stvari.

Kao što je spomenuto, intervenirajuća elektronika usporava širenje signala sata. Ovo vrijedi čak i za vrata sata. Kao takvo, tijekom dizajna CPU-a, važno je to uzeti u obzir. Također je važno razumjeti kakav točan učinak to može imati na cjelokupni oblik signala sata. Blago zakašnjeli prednji rub može se kombinirati s ispravno poravnatim padajućim rubom što rezultira kraćim taktom i potencijalno nepotpunim funkcijama.

Zaključak

Clock Gate je komponenta kruga koja se koristi u dizajnu procesora. Sprječava ili omogućuje da signal sinkronizirajućeg sata dopre do jedne ili više daljnjih komponenti. Ovo u biti djeluje kao prekidač. Glavna je svrha uštedjeti energiju ne trošeći energiju na uključivanje i isključivanje sklopova koji ne bi trebali ništa raditi. Također sprječava da se ta energija pretvori u toplinu. To ostavlja više proračuna za toplinu i energiju za ostale komponente procesora koje se koriste. Alternativno, smanjuje ukupno opterećenje sustava za napajanje i sustav hlađenja. Dizajn sustava mora uzeti u obzir kašnjenje koje bilo koja komponenta, pa čak i prekidač, postavlja na tako vremenski precizno tempirani signal sata. Također se mora voditi računa da otvaranje vrata ne šalje skraćeni signal sata ako je signal sata već visok kada se vrata otvaraju.