Vad är en klockpuls?

I en dator är de flesta komponenter synkroniserade med en klocka. Allt är dock inte nödvändigtvis synkroniserat med samma klocka. CPU:n, till exempel, kan köra otroligt snabbt, med avancerade modeller som kommer nära att nå 6 miljarder cykler per sekund. De flesta andra komponenter kan inte matcha denna otroliga hastighet. Klockan anger exakt när en komponent ska fungera. Den exakta funktionen beror naturligtvis på komponenten. Men grundkonceptet är detsamma, permanent synkroniserat med klockans tick.

I en dator signaleras nästan alla klockor med en fyrkantsvåg. En klockpuls är "toppen" för fyrkantvågen. Intressant nog använder ingenting den toppen som trigger för någonting. Även en klocka som tickar 6 miljarder gånger i sekunden tillbringar tillräckligt med tid i topp och dal för att den exakta timingen skulle ha tillräckligt med variation för att orsaka problem. Istället arbetar de flesta enheter specifikt på den stigande kanten av klockpulsen när den aktiveras.

RAM är ett intressant undantag. Du kanske vet att RAM-generationer för närvarande kallas "DDR X." Denna DDR-term är betydelsefull. Det står för "Double Data Rate". Medan standardenheter endast fungerar på den stigande kanten av klockpulsen, arbetar DDR RAM på både den stigande och fallande kanten av klockpulsen. Detta fördubblar sin bandbredd jämfört med samma teknik med Single Data Rate. Eftersom bandbredd är en kritisk del av RAM-prestandan är denna DDR-teknik nu universell i RAM.

Hur fungerar klockpulsen?

En klockgenerator genererar klockpulsen. Detta är vanligtvis en noggrant formad kvartskristall med en elektrisk ström passerad över den. En av dess inneboende egenskaper är att den genererar en perfekt regelbunden elpuls. Medan kristallerna kan ställas in på ett antal frekvenser, används vanligtvis bara två, och då är bara en av dem dominerande. De flesta klockor tickar vid 100MHz eller 100 miljoner cykler per sekund. Vissa datorer har en andra klocka som arbetar med en frekvens på 125MHz.

Du kanske märker att detta är anmärkningsvärt lägre än 6GHz som kan erhållas, under optimala förhållanden, av moderna processorer. Istället för att göra en klocka för att styra CPU-hastigheten och sedan låsa den till den exakta frekvensen, ställs frekvensen för en CPU och andra enheter in via en multiplikator. Multiplikatorn multiplicerar hur många pulser det finns per sekund. En av de viktigaste fördelarna med detta är att multiplikatorn kan justeras. Denna justering kan ske i farten, vilket möjliggör fin prestandakontroll baserat på termisk höjd, krafthöjd och belastning.

Designbegränsningar från att arbeta med klockpulser

Synkronisering med klockor ökar RAM-prestandan avsevärt och gynnar de flesta PC-komponenter. Det har dock några ovanliga begränsningar. Medan det snabbade upp RAM-minnet, föreslår en tankeskola att det har saktat ner processorer.

En CPU-klockfrekvens måste begränsas till en konservativ uppskattning av prestandan i värsta fall för den långsammaste funktionen hos en CPU. På så sätt kan du garantera att allt slutförs i en klockcykel, och att du inte har några saker som blöder över, vilket skapar oavsiktliga konfigurationer. Detta innebär att en CPU obunden av en klocka, som kan utföra operationer så fort den vill och sedan kan gå vidare till nästa omedelbart, teoretiskt sett skulle kunna fungera mycket snabbare.

Problemet med detta är logiken. Eftersom saker och ting inte nödvändigtvis slutförs enligt ett förutsägbart schema, måste du lägga till en hel del extra verifieringskretsar. Dessutom, eftersom detta arkitekturkoncept är ogynnsamt, finns det ingen fullt utrustad CPU-designmjukvara för att designa asynkrona CPU:er. Detta gör det svårt att verifiera om konceptet skulle ge en övergripande prestandahöjning.

Elektroner är långsamma

Även om du kanske tror att det är relativt enkelt att tillhandahålla en klocksignal till en CPU, så är det mycket inte. Moderna processorer är ganska stora och djupt invecklade; detta betyder att utbredningstiden för en elektrisk signal från den ena sidan till den andra kan vara betydande, åtminstone jämfört med en sex miljarddels sekund. Klocksignalen introduceras till CPU:n på många ställen för att säkerställa att hela CPU:n är perfekt synkroniserad.

När CPU:erna blir större och funktionstätheten högre krävs fler kretsar för att ge korrekt klockning. Dessutom, eftersom "Noden" av CPU:er har minskat, har motståndet på de mindre ledningarna ökat. Det betyder att den kraft som krävs för att ticka på klockan på moderna processorer utgör en rimlig andel av det totala strömförbrukningen.

Eftersom strömförbrukningen direkt påverkar värmeproduktionen har den en tvådelad inverkan på CPU-prestanda, båda negativa. Detta är ytterligare ett argument för asynkrona processorer. Eftersom de saknar en klocka, saknar de detta strömförbrukning och värmeproduktion, vilket lämnar mer värme- och kraftutrymme för faktisk prestanda, vilket ytterligare hjälper till att kompensera för den nödvändiga ökningen av komplexitet.

Slutsats

En klockpuls är toppen av en fyrkantsvågklocksignal som används för datorsynkronisering. De flesta komponenter använder specifikt den stigande kanten av den pulsen för att fungera. DDR RAM använder dock både den stigande och fallande kanten av pulsen för att fungera. En klockgenerator, såsom en piezoelektrisk kvartsoscillator, genererar pulsen. Dessa pulser modifieras sedan typiskt av en multiplikator för att exakt matcha den önskade klockhastigheten.