Vad är Clock Gating?

Klockhastigheten är viktig för CPU-prestandan. Det är åtminstone vad marknadsavdelningen i företag som designar och säljer processorer vill att du ska tänka. Naturligtvis finns det många andra faktorer och viktningen av dem alla beror på ditt användningsfall. Ett lätt gängat videospel kommer vanligtvis att dra nytta av en ljussnabb kärna, uppbackad av några långsammare kärnor. En renderingsdator kommer vanligtvis att dra nytta av så många kärnor som möjligt, och även om snabbare är bättre, är fler kärnor ännu bättre. I mobila miljöer är prestanda viktigt men energieffektivitet är av största vikt, särskilt när toppprestanda inte krävs.

Många faktorer påverkar prestandan i alla dessa scenarier men en konstant faktor är klockan. I CPU:n bestämmer klocksignalen när saker händer. En snabbare tickhastighet innebär fler operationer under en given tid. Det här låter bra, visst vill du bara att det ska ticka så fort som möjligt då, eller hur? Inte så fort. För det första orsakar varje tick på klockan en kraftpuls. Denna kraft måste komma någonstans ifrån. Det resulterar också i produktion av värme, som sedan måste avledas. För det andra är det faktiskt riktigt svårt att se till att allt förblir korrekt synkroniserat, och det blir svårare ju snabbare klockan tickar.

Kraft- och värmehantering

Det finns två huvudsakliga användningsområden för elektrisk kraft. Den första är den konstanta strömmen i ett system som är påslaget. Den andra är ökningen från ett system som slås på. Den huvudsakliga källan till strömförbrukning i en CPU beror faktiskt på att kretsarna ständigt slås på och av. Klocksignalen driver den omkopplingen. Den bidrar också ensam med en icke-trivial mängd av den strömanvändningen.

Saken är att vissa delar av hårdvara på en CPU inte behövs i varje CPU-cykel. I de flesta klockcykler behövs till exempel inte ett individuellt register. Att skicka den en klocksignal och få den att slås på och stängas av snabbt slösar helt enkelt bara kraft utan vinst. Clock gating är tekniken för att förhindra att klocksignalen når delar av CPU:n som inte behövs för den specifika klockcykeln.

Hårdvaran för klockport måste placeras i vägen för klocksignalen till varje funktionalitet som du kanske vill stänga av från klockan. Där flera bitar av funktionalitet alltid och uteslutande behövs tillsammans kan det vara möjligt att placera dem bakom samma klockgrind. Genom att inaktivera klocksignalen bakom grinden kan huvudkällan för strömförbrukning tas bort. Detta kan bidra till att avsevärt minska strömförbrukningen, vilket är särskilt viktigt för batteridrivna enheter.

Obs: Själva klockgrinden använder ström, så det är viktigt att se till att den bara används där den sparar mer ström än den använder.

Den absoluta hastighetsgränsen

Vi nämnde tidigare att det blir svårare att synkronisera snabba klockor. Tyvärr är det en hård och snabb regel som införts av grundläggande fysik. Den snabbaste hastigheten med vilken något kan färdas är ljusets hastighet i ett vakuum. Det är ungefär trehundra miljoner meter per sekund (eller 670 600 000 miles per timme) som är riktigt snabbt. En annan sak som är riktigt snabb är klockhastigheten på moderna processorer. 5,7 GHz eller 5,7 miljarder tick per sekund översätts till en klocktick var 175:e pikosekund, eller 0,175 nanosekunder. När de sätts ihop kan du räkna ut hur långt ljuset kan färdas inom tidsramen för en enskild klocktick. Den är 55 mm eller 2,1 tum.

Nu körs inte datorer på fotoner, åtminstone gör de det inte ännu, även om fotonik är ett framskridande område. Datorer körs på elektroner som rör sig långsammare. Det finns inte heller en enda rak linje för elektroner att resa och det finns många elektroniska komponenter som är i vägen. Var och en av dessa fördröjer signalutbredningen. För det ändamålet måste klocksignalen introduceras till en CPU på många olika punkter för att faktiskt synkroniseras ordentligt över det hela.

Som nämnts bromsar ingripande elektronik klocksignalens utbredning. Detta gäller även för klockportar. Som sådan, under CPU-design, är det viktigt att ta hänsyn till detta. Det är också viktigt att förstå exakt vilken effekt detta kan ha på den övergripande formen av klocksignalen. En något fördröjd framkant kan kombineras med en korrekt inriktad fallande flank vilket resulterar i en kortare klockperiod och potentiellt ofullständiga funktioner.

Slutsats

En Clock Gate är en kretskomponent som används i processordesign. Den förhindrar eller möjliggör att synkroniseringsklocksignalen når en eller flera ytterligare komponenter. Detta fungerar i huvudsak som en switch. Huvudsyftet är att spara ström genom att inte använda ström för att koppla på och stänga av kretsar som inte är tänkta att göra någonting. Det förhindrar också att energin omvandlas till värme. Detta lämnar mer värme- och effektbudget för andra komponenter i processorn som används. Alternativt minskar det den totala systembelastningen på kraft- och kylsystemet. Systemdesign måste ta hänsyn till fördröjningen som alla komponenter, till och med en omkopplare, sätter på en så snävt tidsinställd klocksignal. Man måste också se till att öppning av porten inte skickar en förkortad klocksignal om klocksignalen redan är hög när porten öppnas.