Was ist Clock-Gating?

Die Taktrate ist für die CPU-Leistung von entscheidender Bedeutung. Zumindest möchte die Marketingabteilung in Unternehmen, die CPUs entwickeln und verkaufen, Ihnen das glauben machen. Natürlich gibt es noch viele weitere Faktoren und die Gewichtung aller hängt von Ihrem Anwendungsfall ab. Ein leicht gethreadetes Videospiel profitiert normalerweise von einem blitzschnellen Kern, der von einigen langsameren Kernen unterstützt wird. Ein Rendering-Computer profitiert normalerweise von so vielen Kernen wie möglich, und obwohl schneller besser ist, sind mehr Kerne noch besser. In mobilen Umgebungen ist Leistung wichtig, aber Energieeffizienz ist von größter Bedeutung, insbesondere wenn keine Spitzenleistung erforderlich ist.

Viele Faktoren beeinflussen die Leistung in all diesen Szenarien, aber ein konstanter Faktor ist die Uhr. In der CPU bestimmt das Taktsignal, wann etwas passiert. Eine schnellere Taktrate bedeutet mehr Operationen in einer bestimmten Zeit. Das klingt großartig, Sie wollen doch sicher nur, dass es so schnell wie möglich tickt, oder? Nicht so schnell. Erstens verursacht jeder Ticken der Uhr einen Energieimpuls. Irgendwoher muss diese Kraft ja kommen. Dabei entsteht auch Wärme, die dann abgeführt werden muss. Zweitens ist es wirklich schwierig sicherzustellen, dass alles richtig synchronisiert bleibt, und es wird schwieriger, je schneller die Uhr tickt.

Energie- und Wärmemanagement

Es gibt zwei Hauptverwendungen von elektrischem Strom. Der erste ist der Konstantstrom eines eingeschalteten Systems. Der zweite ist der Stromstoß von einem System, das eingeschaltet wird. Die Hauptquelle des Stromverbrauchs in einer CPU ist tatsächlich auf das ständige Ein- und Ausschalten von Schaltkreisen zurückzuführen. Das Taktsignal steuert dieses Schalten. Es trägt auch allein einen nicht unerheblichen Betrag zu diesem Stromverbrauch bei.

Die Sache ist, dass einige Hardwareteile auf einer CPU nicht in jedem CPU-Zyklus benötigt werden. In den meisten Taktzyklen wird beispielsweise ein einzelnes Register nicht benötigt. Daher verschwendet das Senden eines Taktsignals und das schnelle Ein- und Ausschalten einfach Energie, ohne Gewinn. Clock-Gating ist die Technik, die verhindert, dass das Taktsignal Bereiche der CPU erreicht, die für diesen bestimmten Taktzyklus nicht benötigt werden.

Die Hardware für das Takt-Gating muss im Pfad des Taktsignals zu jeder Funktion platziert werden, die Sie möglicherweise von der Uhr abschalten möchten. Wo mehrere Funktionalitätsbits immer und ausschließlich zusammen benötigt werden, kann es möglich sein, sie hinter demselben Clock-Gate zu platzieren. Durch Deaktivieren des Taktsignals hinter dem Gate kann die Hauptstromquelle entfernt werden. Dies kann dazu beitragen, den Stromverbrauch deutlich zu senken, was besonders für batteriebetriebene Geräte wichtig ist.

Hinweis: Das Clock Gate selbst verbraucht Strom, daher ist es wichtig sicherzustellen, dass es nur dort verwendet wird, wo es mehr Strom spart als es verbraucht.

Das absolute Tempolimit

Wir haben bereits erwähnt, dass es schwieriger wird, schnelle Uhren zu synchronisieren. Leider ist dies eine feste Regel, die von der grundlegenden Physik auferlegt wird. Die schnellste Geschwindigkeit, mit der sich etwas fortbewegen kann, ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das sind ungefähr dreihundert Millionen Meter pro Sekunde (oder 670.600.000 Meilen pro Stunde), das ist wirklich schnell. Eine andere Sache, die wirklich schnell ist, ist die Taktrate moderner CPUs. 5,7 GHz oder 5,7 Milliarden Ticks pro Sekunde entsprechen einem Takt alle 175 Pikosekunden oder 0,175 Nanosekunden. Zusammengenommen können Sie ausrechnen, wie weit Licht im Zeitrahmen eines einzigen Uhrticks reisen kann. Es ist 55 mm oder 2,1 Zoll.

Jetzt laufen Computer nicht mit Photonen, zumindest tun sie das noch nicht, obwohl die Photonik ein sich entwickelndes Gebiet ist. Computer laufen mit Elektronen, die sich langsamer bewegen. Es gibt auch keine einzige gerade Linie, auf der sich Elektronen bewegen können, und es gibt viele elektronische Komponenten, die im Weg sind. Jedes davon verzögert die Signalausbreitung. Zu diesem Zweck muss das Taktsignal an vielen verschiedenen Punkten in eine CPU eingeführt werden, um tatsächlich über das Ganze richtig synchronisiert zu werden.

Wie bereits erwähnt, verlangsamt eine dazwischenliegende Elektronik die Ausbreitung des Taktsignals. Dies gilt sogar für Taktgatter. Daher ist es beim CPU-Design wichtig, dies zu berücksichtigen. Es ist auch wichtig, genau zu verstehen, welche Auswirkungen dies auf die Gesamtform des Taktsignals haben kann. Eine leicht verzögerte ansteigende Flanke kann mit einer richtig ausgerichteten abfallenden Flanke kombiniert werden, was zu einer kürzeren Taktperiode und möglicherweise unvollständigen Funktionen führt.

Abschluss

Ein Clock Gate ist eine Schaltungskomponente, die im Prozessordesign verwendet wird. Es verhindert oder ermöglicht, dass das synchronisierende Taktsignal eine oder mehrere weitere Komponenten erreicht. Dies fungiert im Wesentlichen als Schalter. Der Hauptzweck besteht darin, Strom zu sparen, indem kein Strom zum Ein- und Ausschalten von Schaltkreisen aufgewendet wird, die nichts bewirken sollen. Es verhindert auch, dass diese Energie in Wärme umgewandelt wird. Dadurch bleibt mehr Wärme- und Leistungsbudget für andere Komponenten des Prozessors, die verwendet werden. Alternativ reduziert es die Gesamtsystembelastung des Strom- und Kühlsystems. Das Systemdesign muss die Verzögerung berücksichtigen, die irgendwelche Komponenten, sogar ein Schalter, bei einem so eng getakteten Taktsignal verursachen. Es muss auch darauf geachtet werden, dass beim Öffnen des Gates kein verkürztes Taktsignal gesendet wird, wenn das Taktsignal beim Öffnen des Gates bereits hoch ist.