Hva er Clock Gating?

Klokkehastighet er viktig for CPU-ytelsen. Det er i hvert fall hva markedsavdelingen i selskaper som designer og selger CPUer vil at du skal tenke. Selvfølgelig er det mange andre faktorer, og vektingen av dem alle avhenger av din brukssituasjon. Et videospill med lett gjenger vil vanligvis dra nytte av én lysende rask kjerne, støttet opp av noen få tregere kjerner. En gjengivelsesdatamaskin vil vanligvis dra nytte av så mange kjerner som mulig, og mens raskere er bedre, er flere kjerner enda bedre. I mobile miljøer er ytelse viktig, men strømeffektivitet er avgjørende, spesielt når topp ytelse ikke er nødvendig.

Mange faktorer påvirker ytelsen i alle disse scenariene, men en konstant faktor er klokken. I CPU'en bestemmer klokkesignalet når ting skjer. En raskere klokketakt betyr flere operasjoner på en gitt tid. Dette høres bra ut, du vil vel bare at det skal tikke så fort som mulig da, ikke sant? Ikke så fort. For det første forårsaker hvert tikk på klokken en kraftpuls. Denne kraften må komme fra et sted. Det resulterer også i produksjon av varme, som deretter må forsvinne. For det andre er det faktisk veldig vanskelig å sikre at alt forblir riktig synkronisert, og det blir vanskeligere jo raskere klokken tikker.

Strøm- og termisk styring

Det er to hovedbruk av elektrisk kraft. Den første er den konstante strømmen til et system som er slått på. Den andre er bølgen fra et system som slås på. Hovedkilden til strømforbruk i en CPU er faktisk på grunn av den konstante koblingen av kretser av og på. Klokkesignalet driver denne vekslingen. Det bidrar også alene med en ikke-triviell mengde av det strømforbruket.

Saken er at noen deler av maskinvaren på en CPU ikke er nødvendig i hver CPU-syklus. I de fleste klokkesykluser vil for eksempel ikke et individuelt register være nødvendig. Som sådan, å sende den et klokkesignal og få den til å slå seg på og av raskt, sløser ganske enkelt strøm, uten gevinst. Clock gating er teknikken for å forhindre at klokkesignalet når områder av CPUen som ikke er nødvendig for den bestemte klokkesyklusen.

Maskinvaren for klokkeport må plasseres i banen til klokkesignalet til hver funksjonalitet som du kanskje ønsker å stenge av fra klokken. Der det alltid og utelukkende er behov for flere funksjoner sammen, kan det være mulig å plassere dem bak samme klokkeport. Ved å deaktivere klokkesignalet bak porten, kan hovedkilden til strømforbruk fjernes. Dette kan bidra til å redusere strømforbruket betydelig, noe som er spesielt viktig for batteridrevne enheter.

Merk: Klokkeporten i seg selv bruker strøm, så det er viktig å sikre at den bare brukes der den vil spare mer strøm enn den bruker.

Den absolutte fartsgrensen

Vi nevnte før at det blir vanskeligere å synkronisere raske klokker. Dessverre er det en hard og rask regel pålagt av grunnleggende fysikk. Den raskeste hastigheten noe kan bevege seg med er lysets hastighet i et vakuum. Det er omtrent tre hundre millioner meter per sekund (eller 670 600 000 miles per time) som er veldig raskt. En annen ting som er veldig rask er klokkehastigheten på moderne CPUer. 5,7 GHz eller 5,7 milliarder tikk per sekund tilsvarer ett klokketikk hvert 175 pikosekund, eller 0,175 nanosekunder. Når den er satt sammen, kan du regne ut hvor langt lys kan bevege seg i tidsrammen til en enkelt klokke. Den er 55 mm eller 2,1 tommer.

Nå kjører ikke datamaskiner på fotoner, i det minste gjør de det ikke ennå, selv om fotonikk er et fremskritt felt. Datamaskiner kjører på elektroner som beveger seg langsommere. Det er heller ikke en eneste rett linje for elektroner å reise, og det er mange elektroniske komponenter som er i veien. Hver av disse forsinker signalutbredelsen. For det formål må klokkesignalet introduseres til en CPU på mange forskjellige punkter for faktisk å bli riktig synkronisert over hele greia.

Som nevnt bremser intervenerende elektronikk klokkesignalets utbredelse. Dette gjelder selv for klokkeporter. Som sådan, under CPU-design, er det viktig å ta hensyn til dette. Det er også viktig å forstå nøyaktig hvilken effekt dette kan ha på den generelle formen til klokkesignalet. En litt forsinket forkant kan kombineres med en riktig justert fallende kant som resulterer i en kortere klokkeperiode og potensielt ufullstendige funksjoner.

Konklusjon

En Clock Gate er en kretskomponent som brukes i prosessordesign. Den forhindrer eller aktiverer synkroniseringsklokkesignalet fra å nå en eller flere ytterligere komponenter. Dette fungerer i hovedsak som en bryter. Hovedformålet er å spare strøm ved å ikke bruke strøm på å slå kretser på og av som ikke skal gjøre noe. Det forhindrer også at energien blir omdannet til varme. Dette etterlater mer termisk og strømbudsjett for andre komponenter i prosessoren som brukes. Alternativt reduserer den den totale systembelastningen på strøm- og kjølesystemet. Systemdesign må ta hensyn til forsinkelsen som noen komponenter, til og med en bryter plasserer på et så tett tidsbestemt klokkesignal. Man må også passe på at åpning av porten ikke sender et forkortet klokkesignal hvis klokkesignalet allerede er høyt når porten åpnes.