Čo je to hodinový impulz?

V počítači je väčšina komponentov synchronizovaná s hodinami. Nie všetko je však nevyhnutne synchronizované s rovnakými hodinami. Napríklad CPU môže bežať neuveriteľne rýchlo, pričom špičkové modely sa blížia k dosiahnutiu 6 miliárd cyklov za sekundu. Väčšina ostatných komponentov nie je schopná dosiahnuť túto neuveriteľnú rýchlosť. Hodiny presne ukazujú, kedy má komponent fungovať. Presná funkčnosť samozrejme závisí od komponentu. Ale základný koncept je rovnaký, permanentne synchronizovaný s tikotom hodín.

V počítači sú takmer všetky hodiny signalizované pravouhlou vlnou. Hodinový impulz je „vrcholom“ štvorcovej vlny. Zaujímavé je, že nič nevyužíva tento vrchol ako spúšťač ničoho. Dokonca aj hodiny, ktoré tikajú 6 miliárd krát za sekundu, strávia dostatok času v špičke a minie, takže presné načasovanie by malo dostatočnú odchýlku, aby spôsobilo problémy. Namiesto toho väčšina zariadení pracuje špecificky na stúpajúcej hrane hodinového impulzu, keď sa aktivuje.

RAM je zaujímavá výnimka. Možno viete, že generácie RAM sa v súčasnosti označujú ako „DDR X“. Tento termín DDR je významný. Je to skratka pre „Double Data Rate“. Zatiaľ čo štandardné zariadenia fungujú iba na vzostupnej hrane hodinového impulzu, DDR RAM funguje na vzostupnej aj zostupnej hrane hodinového impulzu. Tým sa zdvojnásobí jeho šírka pásma v porovnaní s rovnakou technológiou pomocou Single Data Rate. Keďže šírka pásma je kritickou súčasťou výkonu RAM, táto technológia DDR je teraz univerzálna v RAM.

Ako funguje hodinový impulz?

Hodinový generátor generuje hodinový impulz. Toto je zvyčajne starostlivo tvarovaný kremenný kryštál, cez ktorý prechádza elektrický prúd. Jednou z jeho vnútorných vlastností je, že generuje dokonale pravidelný impulz elektriny. Zatiaľ čo kryštály môžu byť naladené na rozsah frekvencií, zvyčajne sa používajú iba dva a potom je dominantný iba jeden z nich. Väčšina hodín tiká pri 100 MHz alebo 100 miliónoch cyklov za sekundu. Niektoré počítače sú vybavené druhými hodinami, ktoré pracujú na frekvencii 125 MHz.

Môžete si všimnúť, že je to výrazne nižšie ako 6 GHz, ktoré môžu za optimálnych podmienok získať moderné procesory. Namiesto toho, aby sa rýchlosť CPU ovládala jednou hodinou a potom sa zablokovala na presnú frekvenciu, frekvencia CPU a iných zariadení sa nastavuje pomocou násobiteľa. Násobiteľ násobí počet impulzov za sekundu. Jednou z kľúčových výhod tohto je, že multiplikátor je možné nastaviť. Toto nastavenie môže prebiehať za chodu, čo umožňuje jemné riadenie výkonu na základe tepelnej svetlej výšky, výkonu a zaťaženia.

Obmedzenia dizajnu vyplývajúce z práce s hodinovými impulzmi

Synchronizácia s hodinami výrazne zvyšuje výkon pamäte RAM a prináša výhody väčšine komponentov počítača. Má však niekoľko nezvyčajných obmedzení. Zatiaľ čo to zrýchlilo RAM, myšlienka naznačuje, že to spomalilo CPU.

Frekvencia hodín CPU musí byť obmedzená na konzervatívny odhad najhoršieho prípadu výkonu najpomalšej funkcie CPU. Týmto spôsobom môžete zaručiť, že sa všetko dokončí v jednom taktovom cykle a nebudete mať niektoré veci prekrvené, čo by vytváralo neúmyselné konfigurácie. To znamená, že procesor, ktorý nie je viazaný hodinami, je schopný dokončiť operácie tak rýchlo, ako chce a potom môže okamžite prejsť na ďalšiu, môže teoreticky fungovať oveľa rýchlejšie.

Problém je v logike. Keďže sa veci nemusia nevyhnutne dokončiť podľa predvídateľného plánu, musíte pridať veľa dodatočných overovacích obvodov. Okrem toho, keďže tento koncept architektúry nie je uprednostňovaný, neexistuje žiadny plne funkčný softvér na navrhovanie CPU na navrhovanie asynchrónnych CPU. To sťažuje overenie, či tento koncept poskytne celkové zvýšenie výkonu.

Elektróny sú pomalé

Aj keď si možno myslíte, že poskytovanie hodinového signálu CPU je relatívne jednoduché, nie je tomu tak. Moderné CPU sú dosť veľké a hlboko zložité; to znamená, že čas šírenia elektrického signálu z jednej strany na druhú môže byť významný, prinajmenšom v porovnaní s jednou šiestimi miliardtinami sekundy. Hodinový signál je zavedený do CPU na mnohých miestach, aby sa zabezpečila dokonalá synchronizácia celého CPU.

Ako sa CPU zväčšujú a hustota funkcií sa zvyšuje, na zabezpečenie presného taktovania je potrebných viac obvodov. Okrem toho, keď sa „uzol“ CPU zmenšil, odpor na menších vodičoch sa zvýšil. To znamená, že výkon potrebný na tikanie hodín na moderných CPU tvorí primeranú časť celkového odberu energie.

Keďže spotreba energie priamo ovplyvňuje produkciu tepla, má dvojaký vplyv na výkon procesora, pričom obe sú negatívne. Toto je ďalší argument pre asynchrónne CPU. Keďže im chýbajú hodiny, chýba im tento odber energie a produkcia tepla, čo ponecháva väčšiu tepelnú a energetickú rezervu pre skutočný výkon, čo ďalej pomáha kompenzovať potrebné zvýšenie zložitosti.

Záver

Hodinový impulz je vrchol hodinového signálu štvorcového tvaru používaného na synchronizáciu počítača. Väčšina komponentov špecificky využíva na prevádzku stúpajúcu hranu tohto impulzu. DDR RAM však na svoju činnosť využíva stúpajúcu aj klesajúcu hranu impulzu. Generátor hodín, ako je kremenný piezoelektrický oscilátor, generuje impulz. Tieto impulzy sú potom typicky modifikované multiplikátorom, aby presne zodpovedali požadovanej rýchlosti hodín.