Що таке Clock Gating?

Тактова частота важлива для продуктивності процесора. Принаймні, це те, що відділ маркетингу в компаніях, які розробляють і продають процесори, хоче, щоб ви думали. Звичайно, існує багато інших факторів, і вага всіх них залежить від вашого випадку використання. Відеоігра з низьким потоком зазвичай виграє від одного світлошвидкого ядра, підкріпленого кількома повільнішими ядрами. Комп’ютер для візуалізації, як правило, виграє від якомога більшої кількості ядер, і хоча швидше – це краще, більше ядер – навіть краще. У мобільних середовищах продуктивність важлива, але енергоефективність має першочергове значення, особливо коли не потрібна максимальна продуктивність.

Багато факторів впливають на продуктивність у всіх цих сценаріях, але одним постійним фактором є годинник. У центральному процесорі сигнал годинника визначає, коли щось відбувається. Швидший такт годинника означає більше операцій за певний час. Це звучить чудово, напевно, ви просто хочете, щоб це цокало якомога швидше, чи не так? Не так швидко. По-перше, кожен тик годинника викликає імпульс потужності. Ця сила має звідкись взятися. Це також призводить до виробництва тепла, яке потім має розсіюватися. По-друге, насправді дуже важко переконатися, що все залишається належним чином синхронізованим, і це стає важче, чим швидше цокає годинник.

Управління живленням і теплом

Є два основних способи використання електроенергії. По-перше, це постійний струм системи, яка живиться. По-друге, це сплеск від увімкненої системи. Основним джерелом споживання енергії в процесорі є постійне вмикання та вимикання ланцюгів. Тактовий сигнал керує цим перемиканням. Крім того, він сам по собі сприяє нетривіальному споживанню енергії.

Справа в тому, що деякі частини апаратного забезпечення ЦП не потрібні в кожному циклі ЦП. У більшості тактових циклів індивідуальний регістр, наприклад, не буде потрібен. Таким чином, надсилання сигналу годинника та швидке вмикання та вимикання просто витрачає енергію, не приносячи жодної вигоди. Стробування тактового сигналу — це техніка, яка запобігає досягненню тактового сигналу областями ЦП, які не потрібні для цього конкретного тактового циклу.

Апаратне забезпечення для стробування годинника має бути розміщене на шляху сигналу синхронізації до кожної частини функціональності, яку ви можете відключити від годинника. Там, де кілька бітів функціональних можливостей завжди і виключно потрібні разом, можна розмістити їх за тими ж воротами годинника. Вимкнувши сигнал годинника за воротами, можна видалити основне джерело споживання енергії. Це може допомогти значно знизити енергоспоживання, що особливо важливо для пристроїв, що живляться від батарейок.

Примітка. Ворота годинника самі споживають електроенергію, тому важливо переконатися, що вони використовуються лише там, де вони заощадять більше енергії, ніж споживають.

Абсолютне обмеження швидкості

Ми згадували раніше, що стає важче синхронізувати швидкі годинники. На жаль, це жорстке правило, нав’язане базовою фізикою. Найшвидша швидкість, з якою будь-що може рухатися, це швидкість світла у вакуумі. Це приблизно триста мільйонів метрів на секунду (або 670 600 000 миль на годину), що дуже швидко. Ще одна річ, яка є дуже швидкою, - це тактова частота сучасних процесорів. 5,7 ГГц або 5,7 мільярда тактів за секунду означає один такт кожні 175 пікосекунд, або 0,175 наносекунд. Зібравши разом, ви можете визначити, яку відстань може подолати світло за один часовий проміжок. Це 55 мм або 2,1 дюйма.

Зараз комп’ютери не працюють на фотонах, принаймні поки що, хоча фотоніка є прогресивною галуззю. Комп’ютери працюють на електронах, які рухаються повільніше. Крім того, немає жодної прямої лінії для руху електронів, і є багато електронних компонентів, які заважають. Кожне з них затримує поширення сигналу. З цією метою тактовий сигнал потрібно ввести в ЦП у багатьох різних точках, щоб фактично правильно синхронізувати все це.

Як згадувалося, втручання електроніки уповільнює поширення тактового сигналу. Це вірно навіть для воріт годинника. Таким чином, під час проектування процесора важливо враховувати це. Також важливо точно розуміти, який вплив це може мати на загальну форму тактового сигналу. Злегка затриманий передній фронт може поєднуватися з належним чином вирівняним спадаючим фронтом, що призводить до скорочення тактового періоду та потенційно незавершених функцій.

Висновок

Clock Gate — це компонент схеми, який використовується в процесорі. Він запобігає або вмикає синхронізуючий тактовий сигнал від досягнення одного або кількох додаткових компонентів. Це, по суті, діє як перемикач. Основна мета — заощадити енергію, не витрачаючи електроенергію на вмикання та вимикання ланцюгів, які не повинні нічого робити. Це також запобігає перетворенню цієї енергії в тепло. Це залишає більший бюджет на тепло та енергію для інших компонентів процесора, які використовуються. Крім того, це зменшує загальне навантаження на систему живлення та охолодження. Розробка системи повинна враховувати затримку, яку будь-які компоненти, навіть перемикач, створюють для такого точно синхронізованого тактового сигналу. Слід також подбати про те, щоб при відкриванні воріт не надсилався вкорочений сигнал годинника, якщо сигнал годинника вже високий, коли ворота відкриваються.