Hva er en klokkepuls?

I en datamaskin er de fleste komponentene synkronisert med en klokke. Ikke alt er nødvendigvis synkronisert med den samme klokken. CPU-en, for eksempel, kan kjøre utrolig raskt, med avanserte modeller som nærmer seg 6 milliarder sykluser per sekund. De fleste andre komponenter er ikke i stand til å matche denne utrolige hastigheten. Klokken viser nøyaktig når en komponent skal fungere. Den nøyaktige funksjonaliteten avhenger selvfølgelig av komponenten. Men det grunnleggende konseptet er det samme, permanent synkronisert med klokkens tikk.

I en datamaskin blir nesten alle klokker signalisert med en firkantbølge. En klokkepuls er "toppen" av firkantbølgen. Interessant nok bruker ingenting den toppen som utløser for noe. Selv en klokke som tikker 6 milliarder ganger i sekundet bruker nok tid i topp og bunn til at den nøyaktige timingen vil ha nok variasjon til å forårsake problemer. I stedet opererer de fleste enheter spesifikt på den stigende kanten av klokkepulsen når den aktiveres.

RAM er et interessant unntak. Du vet kanskje at RAM-generasjoner for tiden refereres til som "DDR X." Dette DDR-begrepet er betydelig. Det står for "Double Data Rate." Mens standardenheter kun opererer på den stigende kanten av klokkepulsen, fungerer DDR RAM på både den stigende og fallende kanten av klokkepulsen. Dette dobler båndbredden over den samme teknologien ved å bruke Single Data Rate. Siden båndbredde er en kritisk del av RAM-ytelsen, er denne DDR-teknologien nå universell i RAM.

Hvordan fungerer klokkepulsen?

En klokkegenerator genererer klokkepulsen. Dette er vanligvis en nøye formet kvartskrystall med en elektrisk strøm ført over den. En av dens iboende egenskaper er at den genererer en perfekt regelmessig puls av elektrisitet. Mens krystallene kan stilles inn til en rekke frekvenser, brukes vanligvis bare to, og da er bare én av dem dominerende. De fleste klokker tikker ved 100MHz eller 100 millioner sykluser per sekund. Noen datamaskiner har en ekstra klokke som opererer med en frekvens på 125MHz.

Du vil kanskje legge merke til at dette er bemerkelsesverdig lavere enn 6GHz som kan oppnås, under optimale forhold, av moderne CPUer. I stedet for å lage én klokke for å kontrollere CPU-hastigheten og deretter låse den til den nøyaktige frekvensen, settes frekvensen til en CPU og andre enheter via en multiplikator. Multiplikatoren multipliserer hvor mange pulser det er per sekund. En av de viktigste fordelene med dette er at multiplikatoren kan justeres. Denne justeringen kan skje på flukt, og tillater fin ytelseskontroll basert på termisk takhøyde, kraftoverhøyde og belastning.

Designbegrensninger fra arbeid med klokkepulser

Synkronisering til klokker øker RAM-ytelsen betydelig og kommer de fleste PC-komponenter til gode. Det har imidlertid noen uvanlige begrensninger. Mens det satte fart på RAM, antyder en tankeskole at det har bremset CPU-ene.

En CPU-klokkefrekvens må begrenses til et konservativt estimat av den verste ytelsen til den tregeste funksjonen til en CPU. På denne måten kan du garantere at alt fullføres i én klokkesyklus, og at du ikke har noen ting som blør over, og skaper utilsiktede konfigurasjoner. Dette betyr at en CPU ubundet av en klokke, som er i stand til å fullføre operasjoner så fort den vil og deretter kan gå videre til den neste umiddelbart, teoretisk sett kan fungere mye raskere.

Problemet med dette er logikken. Siden ting ikke nødvendigvis fullføres etter en forutsigbar tidsplan, må du legge til mange ekstra verifiseringskretser. Videre, siden dette arkitekturkonseptet er ugunstig, finnes det ingen fullt utstyrt CPU-designprogramvare for å designe asynkrone CPUer. Dette gjør det vanskelig å verifisere om konseptet vil gi et samlet ytelsesløft.

Elektroner er trege

Selv om du kanskje tror det er relativt enkelt å gi et klokkesignal til en CPU, er det veldig mye ikke. Moderne prosessorer er ganske store og dypt intrikate; dette betyr at forplantningstiden til et elektrisk signal fra den ene siden til den andre kan være betydelig, i det minste sammenlignet med en seks milliarddels sekund. Klokkesignalet introduseres til CPU-en mange steder for å sikre at hele CPU-en er perfekt synkronisert.

Ettersom CPU-er blir større og har høyere tetthet, kreves flere kretser for å gi nøyaktig klokkefunksjon. Videre, ettersom "Noden" til CPUer har redusert, har motstanden på de mindre ledningene økt. Dette betyr at strømmen som kreves for å tikke klokken på moderne CPUer utgjør en rimelig andel av det totale strømforbruket.

Ettersom strømtrekket direkte påvirker varmeproduksjonen, har det en todelt innvirkning på CPU-ytelsen, begge negative. Dette er et ytterligere argument for asynkrone CPUer. Mangler de en klokke, mangler de dette strømtrekket og varmeproduksjonen, noe som gir mer termisk og kraftovergang for faktisk ytelse, noe som ytterligere bidrar til å veie opp for den nødvendige økningen i kompleksitet.

Konklusjon

En klokkepuls er toppen av et firkantbølget klokkesignal som brukes til datamaskinsynkronisering. De fleste komponenter bruker spesifikt den stigende kanten av den pulsen for å fungere. DDR RAM bruker imidlertid både den stigende og fallende kanten av pulsen til å fungere. En klokkegenerator, for eksempel en kvarts piezoelektrisk oscillator, genererer pulsen. Disse pulsene blir deretter typisk modifisert av en multiplikator for å nøyaktig matche ønsket klokkehastighet.