Frecvența - Clock rate
În calcul , rata de ceas sau viteza de ceas se referă de obicei la frecvența la care generatorul de ceas al unui procesor poate genera impulsuri , care sunt utilizate pentru a sincroniza operațiunile componentelor sale și este utilizat ca indicator al vitezei procesorului. Se măsoară în cicluri de ceas pe secundă sau echivalentul său, unitatea SI hertz (Hz).
Rata de ceas a primei generații de computere a fost măsurată în hertz sau kilohertz (kHz), primele computere personale (PC-uri) care au ajuns în anii 1970 și 1980 au avut rate de ceas măsurate în megahertz (MHz), iar în secolul 21 viteza de procesoare moderne este de obicei publicitate în gigahertz (GHz). Această valoare este cea mai utilă atunci când se compară procesoarele din aceeași familie, menținând constant alte caracteristici care pot afecta performanța . Producătorii de plăci video și CPU își selectează în mod obișnuit unitățile cu cea mai bună performanță dintr-un lot de producție și își stabilesc rata de ceas maximă mai mare, obținând un preț mai mare.
Factori determinanți
Binning
Producătorii de procesoare moderne percep de obicei prețuri premium pentru procesoarele care funcționează la rate de ceas mai mari, o practică numită binning . Pentru un procesor dat, ratele de ceas sunt determinate la sfârșitul procesului de fabricație prin testarea efectivă a fiecărui procesor. Producătorii de jetoane publică o specificație de „rată maximă de ceas” și testează jetoanele înainte de a le vinde pentru a se asigura că îndeplinesc specificațiile respective, chiar și atunci când execută cele mai complicate instrucțiuni cu modelele de date care durează cel mai mult să se stabilească (testarea la temperatură și tensiune care rulează cea mai mică performanță). Procesoarele testate cu succes pentru conformitatea cu un anumit set de standarde pot fi etichetate cu o rată de ceas mai mare, de exemplu, 3,50 GHz, în timp ce cei care nu respectă standardele cu o rată de ceas mai mare, dar care depășesc standardele unei rate de ceas mai mici, pot fi etichetați cu rata de ceas mai mică, de exemplu, 3,3 GHz și vândută la un preț mai mic.
Inginerie
Rata de ceas a unui CPU este determinată în mod normal de frecvența unui cristal oscilator . De obicei, un oscilator de cristal produce o undă sinusoidală fixă - semnalul de referință de frecvență. Circuitele electronice le transformă într-o undă pătrată la aceeași frecvență pentru aplicațiile electronice digitale (sau, folosind un multiplicator CPU , un multiplu fix al frecvenței de referință a cristalului). Rețeaua de distribuție a ceasului din interiorul procesorului transportă semnalul de ceas către toate părțile care au nevoie de el. Un convertor A / D are un pin „ceas” acționat de un sistem similar pentru a seta rata de eșantionare . În cazul oricărui procesor particular, înlocuirea cristalului cu un alt cristal care oscilează la jumătate din frecvență („ underclocking ”) va face ca CPU să funcționeze la jumătate din performanță și să reducă căldura uzată produsă de CPU. În schimb, unii oameni încearcă să crească performanța unui procesor prin înlocuirea cristalului oscilatorului cu un cristal de frecvență mai mare („ overclocking ”). Cu toate acestea, cantitatea de overclocking este limitată de timpul de procesare a procesorului după fiecare impuls și de căldura suplimentară creată.
După fiecare impuls de ceas, liniile de semnal din interiorul procesorului au nevoie de timp pentru a se stabili la noua lor stare. Adică, fiecare linie de semnal trebuie să treacă de la 0 la 1 sau de la 1 la 0. Dacă următorul impuls de ceas vine înainte, rezultatele vor fi incorecte. În procesul de tranziție, o cantitate de energie este irosită ca căldură (mai ales în interiorul tranzistoarelor de acționare). Atunci când executați instrucțiuni complicate care provoacă multe tranziții, cu cât rata de ceas este mai mare, cu atât se produce mai multă căldură. Tranzistoarele pot fi deteriorate de căldură excesivă.
Există, de asemenea, o limită inferioară a ratei de ceas, cu excepția cazului în care se utilizează un nucleu complet static .
Repere istorice și înregistrări actuale
Primul computer analogic complet mecanic, frecvența ceasului Z1 a funcționat la 1 Hz (ciclu pe secundă) și primul computer electromecanic de uz general, Z3 , a funcționat la o frecvență de aproximativ 5-10 Hz. Primul computer electronic de uz general, ENIAC , a folosit un ceas de 100 kHz în unitatea sa de ciclism. Deoarece fiecare instrucțiune dura 20 de cicluri, avea o rată de instrucțiune de 5 kHz.
Primul computer comercial, Altair 8800 (de MITS), a folosit un procesor Intel 8080 cu o rată de ceas de 2 MHz (2 milioane de cicluri pe secundă). PC-ul original IBM (c. 1981) avea o rată de ceas de 4,77 MHz (4.772.727 cicluri pe secundă). În 1992, atât Hewlett-Packard, cât și Digital Equipment Corporation au rupt limita dificilă de 100 MHz cu tehnicile RISC din PA-7100 și respectiv AXP 21064 DEC Alpha . În 1995, cipul Intel P5 Pentium funcționa la 100 MHz (100 de milioane de cicluri pe secundă). Pe 6 martie 2000, AMD a atins etapa de 1 GHz cu câteva luni înaintea Intel. În 2002, un model Intel Pentium 4 a fost introdus ca primul procesor cu o rată de ceas de 3 GHz (trei miliarde de cicluri pe secundă corespunzătoare ~ 0,33 nanosecunde pe ciclu). De atunci, rata de ceas a procesoarelor de producție a crescut mult mai încet, îmbunătățirile de performanță provenind din alte modificări de proiectare.
Amplasat în 2011, recordul mondial Guinness pentru cea mai mare rată de ceas CPU este 8.42938 GHz , cu un overclockat AMD FX-8150 Buldozer pe bază de cip într - un LHE / LN2 cryobath, 5 GHz pe aer .
Înregistrarea de overclocking CPU-Z pentru cea mai mare rată de ceas a procesorului este de 8,79433 GHz cu un cip AMD FX-8350 bazat pe Piledriver scăldat în LN2 , realizat în noiembrie 2012.
Cea mai mare rată de ceas de bază pe un procesor de producție este IBM zEC12 , tactat la 5,5 GHz, care a fost lansat în august 2012.
Cercetare
Inginerii continuă să găsească noi modalități de a proiecta procesoare care se instalează puțin mai repede sau folosesc puțin mai puțină energie pe tranziție, împingând aceste limite înapoi, producând noi procesoare care pot rula la rate de ceas ceva mai mari. Limitele finale ale energiei pe tranziție sunt explorate în calculul reversibil .
Primul procesor complet reversibil, Pendulum, a fost implementat folosind tranzistoare CMOS standard la sfârșitul anilor 1990 la MIT.
De asemenea, inginerii continuă să găsească noi modalități de a proiecta procesoare, astfel încât să completeze mai multe instrucțiuni pe ciclu de ceas, obținând astfel un număr mai mic de CPI (cicluri sau cicluri de ceas pe instrucțiune), deși pot rula la aceeași sau o rată de ceas mai mică ca și procesorii mai vechi . Acest lucru se realizează prin tehnici arhitecturale, cum ar fi linia de conducte a instrucțiunilor și execuția în afara ordinii, care încearcă să exploateze paralelismul la nivel de instrucțiuni din cod.
IBM lucrează la un procesor de 100 GHz. În 2010, IBM a demonstrat un tranzistor bazat pe grafen care poate executa 100 de miliarde de cicluri pe secundă.
Comparând
Rata de ceas a unui CPU este cea mai utilă pentru a oferi comparații între procesoare din aceeași familie. Rata de ceas este doar unul dintre câțiva factori care pot influența performanța atunci când se compară procesoarele din diferite familii. De exemplu, un computer IBM cu un procesor Intel 80486 care rulează la 50 MHz va fi de aproximativ două ori mai rapid (numai intern) decât unul cu același procesor și memorie care rulează la 25 MHz, în timp ce același lucru nu va fi valabil pentru MIPS R4000 care rulează la aceeași rată de ceas ca cele două sunt procesoare diferite care implementează arhitecturi și microarhitecturi diferite. Mai mult, o măsură de „rată de ceas cumulată” este uneori presupusă prin luarea nucleelor totale și înmulțirea cu rata de ceas totală (de exemplu, nucleul dual 2,8 GHz fiind considerat procesor cumulativ 5,6 GHz). Există mulți alți factori de luat în considerare atunci când se compară performanța procesorelor, cum ar fi lățimea magistralei de date a procesorului , latența memoriei și arhitectura cache .
Numai rata de ceas este în general considerată a fi o măsură inexactă a performanței atunci când se compară diferite familii de procesoare. Reperele software sunt mai utile. Rata de ceas poate fi uneori înșelătoare, deoarece cantitatea de muncă pe care o pot face diferite procesoare într-un ciclu variază. De exemplu, procesoarele superscalare pot executa mai multe instrucțiuni pe ciclu (în medie), totuși nu este neobișnuit să facă „mai puțin” într-un ciclu de ceas. În plus, CPU-urile subscalare sau utilizarea paralelismului pot afecta, de asemenea, performanța computerului, indiferent de rata de ceas.