Čo je to Clock Gating?

Rýchlosť hodín je dôležitá pre výkon procesora. Aspoň to by chcelo, aby ste si to mysleli marketingové oddelenie v spoločnostiach, ktoré navrhujú a predávajú CPU. Samozrejme, existuje mnoho ďalších faktorov a váha všetkých z nich závisí od vášho prípadu použitia. Videohra s ľahkým závitom bude zvyčajne ťažiť z jedného bleskovo rýchleho jadra podporovaného niekoľkými pomalšími jadrami. Renderovací počítač bude zvyčajne ťažiť z čo najväčšieho počtu jadier, a hoci rýchlejšie je lepšie, viac jadier je ešte lepších. V mobilných prostrediach je dôležitý výkon, ale prvoradá je energetická účinnosť, najmä ak nie je potrebný špičkový výkon.

Výkon vo všetkých týchto scenároch ovplyvňuje veľa faktorov, ale jedným z konštantných faktorov sú hodiny. V CPU hodinový signál určuje, kedy sa veci dejú. Vyššia frekvencia tičenia hodín znamená viac operácií v danom čase. Znie to skvele, určite len chcete, aby to tikalo čo najrýchlejšie, však? Nie tak rýchlo. Po prvé, každý tikot hodín spôsobí impulz energie. Táto sila musí odniekiaľ pochádzať. Výsledkom je aj produkcia tepla, ktoré sa potom musí odvádzať. Po druhé, je skutočne veľmi ťažké zabezpečiť, aby všetko zostalo správne synchronizované, a čím rýchlejšie tikajú hodiny, je to ťažšie.

Riadenie napájania a tepla

Existujú dve hlavné použitia elektrickej energie. Prvým je konštantný prúd systému, ktorý je napájaný. Druhým je prepätie zo zapnutého systému. Hlavným zdrojom spotreby energie v CPU je v skutočnosti neustále zapínanie a vypínanie obvodov. Toto prepínanie riadi hodinový signál. To tiež samo o sebe prispieva k tejto spotrebe energie netriviálnym množstvom.

Ide o to, že niektoré časti hardvéru na CPU nie sú potrebné v každom cykle CPU. Vo väčšine hodinových cyklov nebude napríklad potrebný individuálny register. Odoslanie hodinového signálu a rýchle zapnutie a vypnutie jednoducho plytvá energiou bez zisku. Clock gating je technika, ktorá zabraňuje tomu, aby sa hodinový signál dostal do oblastí CPU, ktoré nie sú potrebné pre daný cyklus hodín.

Hardvér pre hodinové hradlovanie musí byť umiestnený v ceste hodinového signálu ku každej funkcii, ktorú by ste mohli chcieť odpojiť od hodín. Tam, kde je vždy a výlučne potrebných viacero funkcií spolu, je možné umiestniť ich za rovnakú hodinovú bránu. Vypnutím hodinového signálu za bránou je možné odstrániť hlavný zdroj spotreby energie. To môže pomôcť výrazne znížiť spotrebu energie, čo je dôležité najmä pri zariadeniach napájaných z batérie.

Poznámka: Hodinová brána sama o sebe spotrebováva energiu, takže je dôležité zabezpečiť, aby sa používala len tam, kde šetrí viac energie, ako spotrebuje.

Absolútny rýchlostný limit

Už sme spomenuli, že je ťažšie synchronizovať rýchle hodiny. Bohužiaľ, je to tvrdé a rýchle pravidlo uložené základnou fyzikou. Najrýchlejšia rýchlosť, ktorou sa môže čokoľvek pohybovať, je rýchlosť svetla vo vákuu. To je zhruba tristo miliónov metrov za sekundu (alebo 670 600 000 míľ za hodinu), čo je naozaj rýchlo. Ďalšia vec, ktorá je naozaj rýchla, je rýchlosť hodín na moderných procesoroch. 5,7 GHz alebo 5,7 miliardy taktov za sekundu sa premieta do jedného taktu každých 175 pikosekúnd alebo 0,175 nanosekúnd. Keď to zložíte, môžete zistiť, ako ďaleko môže svetlo prejsť v časovom rámci jedného tikotu hodín. Je to 55 mm alebo 2,1 palca.

Teraz počítače nefungujú na fotónoch, aspoň zatiaľ nie, hoci fotonika je pokroková oblasť. Počítače bežia na elektrónoch, ktoré sa pohybujú pomalšie. Neexistuje ani jedna priamka, ktorou by elektróny mohli cestovať, a v ceste je veľa elektronických komponentov. Každá z nich oneskoruje šírenie signálu. Na tento účel je potrebné zaviesť hodinový signál do CPU v mnohých rôznych bodoch, aby bol skutočne správne synchronizovaný v celej veci.

Ako už bolo spomenuté, zasahujúca elektronika spomaľuje šírenie hodinového signálu. To platí aj pre hodinové brány. Pri navrhovaní CPU je dôležité vziať to do úvahy. Je tiež dôležité presne pochopiť, aký vplyv to môže mať na celkový tvar hodinového signálu. Mierne oneskorená nábežná hrana môže byť skombinovaná so správne vyrovnanou klesajúcou hranou, čo má za následok kratšiu periódu hodín a potenciálne neúplné funkcie.

Záver

Hodinová brána je komponent obvodu používaný pri návrhu procesora. Zabraňuje alebo umožňuje, aby synchronizačný hodinový signál dosiahol jeden alebo viacero ďalších komponentov. Toto v podstate funguje ako prepínač. Hlavným účelom je šetriť energiu tým, že nevynakladáte energiu na zapínanie a vypínanie obvodov, ktoré by nemali nič robiť. Zabraňuje tiež premene energie na teplo. To ponecháva viac tepla a energie pre ostatné komponenty procesora, ktoré sa používajú. Prípadne znižuje celkové zaťaženie systému napájacieho a chladiaceho systému. Návrh systému musí brať do úvahy oneskorenie, ktoré akékoľvek komponenty, dokonca aj prepínač, umiestnia na taký presne načasovaný hodinový signál. Je tiež potrebné dbať na to, aby otvorenie brány nevyslalo skrátený hodinový signál, ak je hodinový signál vysoký už pri otváraní brány.