Mi az az órakapuzás?

Az órajel nagyon fontos a CPU teljesítményéhez. Legalábbis a CPU-kat tervező és értékesítő cégek marketingosztálya ezt szeretné gondolni. Természetesen sok más tényező is létezik, és mindegyik súlyozása a használati esettől függ. Az enyhén menetes videojátékoknak általában előnyös egy gyors megvilágítású mag, amelyet néhány lassabb mag támogat. A renderelő számítógép általában a lehető legtöbb magból profitál, és bár a gyorsabb jobb, a több mag még jobb. Mobil környezetben a teljesítmény fontos, de az energiahatékonyság a legfontosabb, különösen akkor, ha nincs szükség csúcsteljesítményre.

Számos tényező befolyásolja a teljesítményt ezekben a forgatókönyvekben, de az egyik állandó tényező az óra. A CPU-ban az órajel határozza meg, hogy mikor történnek dolgok. A gyorsabb órakettygés több műveletet jelent egy adott idő alatt. Ez jól hangzik, biztosan csak azt akarod, hogy a lehető leggyorsabban ketyegjen, igaz? Nem olyan gyorsan. Először is, az óra minden ketyegése erőimpulzust okoz. Ennek az erőnek valahonnan származnia kell. Ez hőtermelést is eredményez, amelyet aztán el kell vezetni. Másodszor, valójában nagyon nehéz biztosítani, hogy minden megfelelően szinkronban maradjon, és ez annál nehezebb lesz, minél gyorsabban ketyeg az óra.

Teljesítmény- és hőszabályozás

Az elektromos áramnak két fő felhasználási módja van. Az első a bekapcsolt rendszer állandó árama. A második a bekapcsolt rendszer túlfeszültsége. A CPU energiafelhasználásának fő forrása valójában az áramkörök állandó be- és kikapcsolásának köszönhető. Az órajel hajtja ezt a váltást. Önmagában is hozzájárul az energiafelhasználás nem triviális mértékéhez.

A helyzet az, hogy a CPU egyes hardvereire nincs szükség minden CPU ciklusban. A legtöbb óraciklusban például nincs szükség egyéni regiszterre. Mint ilyen, az órajel küldése és gyors be- és kikapcsolása egyszerűen energiát pazarol, nyereség nélkül. Az órakapuzás az a technika, amely megakadályozza, hogy az órajel elérje a CPU olyan területeit, amelyekre nincs szükség az adott órajelciklushoz.

Az órakapuzás hardverét az órajel útjába kell helyezni minden olyan funkcióhoz, amelyet esetleg el szeretne távolítani az órától. Ahol mindig és kizárólag több bitre van szükség együtt, lehetőség van arra, hogy azokat ugyanazon órakapu mögé helyezzük. A kapu mögötti órajel letiltásával a fő áramforrás eltávolítható. Ez jelentősen csökkentheti az energiafogyasztást, ami különösen fontos az akkumulátorral működő eszközök esetében.

Megjegyzés: Maga az órakapu is fogyaszt energiát, ezért fontos, hogy csak ott használják, ahol több energiát takarít meg, mint amennyit felhasznál.

Az abszolút sebességkorlátozás

Korábban már említettük, hogy egyre nehezebb szinkronizálni a gyors órákat. Sajnos ez egy kemény és gyors szabály, amelyet az alapvető fizika ír elő. A leggyorsabb sebesség, amellyel bármi haladhat, a fény sebessége vákuumban. Ez nagyjából háromszáz millió méter per másodperc (vagyis 670 600 000 mérföld per óra), ami igazán gyors. Egy másik dolog, ami nagyon gyors, az a modern CPU-k órajele. Az 5,7 GHz-es vagy 5,7 milliárd ketygés másodpercenként 175 pikoszekundumonként, vagyis 0,175 nanomásodpercenként egy órajelet jelent. Összeállítva kiszámíthatja, hogy egyetlen óra ketyegése alatt mekkora távolságra juthat el a fény. 55 mm vagy 2,1 hüvelyk.

A számítógépek ma már nem működnek fotonokon, legalábbis még nem, bár a fotonika fejlődő terület. A számítógépek elektronokon működnek, amelyek lassabban mozognak. Nincs egyetlen egyenes vonal sem az elektronok számára, amelyekkel az elektronok utaznának, és sok elektronikus alkatrész van az útban. Ezek mindegyike késlelteti a jel terjedését. Ebből a célból az órajelet számos különböző ponton be kell vezetni a CPU-ba, hogy valóban megfelelően szinkronizálják az egészet.

Mint említettük, a beavatkozó elektronika lelassítja az órajel terjedését. Ez még az órakapukra is igaz. Mint ilyen, a CPU tervezése során fontos ezt figyelembe venni. Azt is fontos megérteni, hogy ez pontosan milyen hatással lehet az órajel általános alakjára. Az enyhén késleltetett vezetőél kombinálható egy megfelelően igazított lefutó éllel, ami rövidebb órajelet és potenciálisan hiányos funkciókat eredményez.

Következtetés

A Clock Gate a processzor tervezésében használt áramköri komponens. Megakadályozza vagy lehetővé teszi, hogy a szinkronizáló órajel elérje egy vagy több további komponenst. Ez lényegében kapcsolóként működik. A fő cél az energia megtakarítása azáltal, hogy nem költenek áramot olyan áramkörök be- és kikapcsolására, amelyeknek nem kellene semmit tenniük. Azt is megakadályozza, hogy ez az energia hővé alakuljon. Ez több hő- és energiaköltséget hagy a processzor egyéb használt alkatrészei számára. Alternatív megoldásként csökkenti az energia- és hűtőrendszer teljes rendszerterhelését. A rendszer tervezésénél figyelembe kell venni azt a késleltetést, amelyet bármely komponens, még egy kapcsoló is helyez egy ilyen szorosan időzített órajelre. Arra is ügyelni kell, hogy a kapu nyitásakor ne adjon rövidített órajelet, ha az órajel már a kapu nyitásakor magas.