Was ist ein Takt?

In einem Computer werden die meisten Komponenten mit einer Uhr synchronisiert. Nicht alles ist jedoch unbedingt mit derselben Uhr synchronisiert. Die CPU zum Beispiel kann unglaublich schnell laufen, wobei High-End-Modelle fast 6 Milliarden Zyklen pro Sekunde erreichen. Die meisten anderen Komponenten können diese unglaubliche Geschwindigkeit nicht erreichen. Die Uhr zeigt genau an, wann eine Komponente arbeiten soll. Die genaue Funktionalität hängt natürlich von der Komponente ab. Aber das Grundkonzept ist das gleiche, permanent mit dem Ticken der Uhr synchronisiert.

In einem Computer werden fast alle Uhren mit einer Rechteckwelle signalisiert. Ein Taktimpuls ist die „Spitze“ der Rechteckwelle. Interessanterweise verwendet nichts diesen Peak als Auslöser für irgendetwas. Sogar eine Uhr, die 6 Milliarden Mal pro Sekunde tickt, verbringt genug Zeit in Spitzen und Tiefs, sodass das genaue Timing genügend Schwankungen aufweisen würde, um Probleme zu verursachen. Stattdessen arbeiten die meisten Geräte speziell an der steigenden Flanke des Taktimpulses, wenn dieser aktiviert wird.

RAM ist eine interessante Ausnahme. Sie wissen vielleicht, dass RAM-Generationen derzeit als „DDR X“ bezeichnet werden. Dieser DDR-Begriff ist bedeutsam. Es steht für „Double Data Rate“. Während Standardgeräte nur an der ansteigenden Flanke des Taktimpulses arbeiten, arbeitet DDR-RAM sowohl an der ansteigenden als auch an der abfallenden Flanke des Taktimpulses. Dies verdoppelt seine Bandbreite über die gleiche Technologie mit Single Data Rate. Da die Bandbreite ein kritischer Teil der RAM-Leistung ist, ist diese DDR-Technologie jetzt universell im RAM.

Wie funktioniert der Taktgeber?

Ein Taktgenerator erzeugt den Takt. Dies ist typischerweise ein sorgfältig geformter Quarzkristall, über den ein elektrischer Strom geleitet wird. Eine seiner intrinsischen Eigenschaften ist, dass es einen vollkommen regelmäßigen Stromimpuls erzeugt. Während die Kristalle auf einen Bereich von Frequenzen abgestimmt werden können, werden typischerweise nur zwei verwendet, und dann ist nur einer davon dominant. Die meisten Uhren ticken mit 100 MHz oder 100 Millionen Zyklen pro Sekunde. Einige Computer verfügen über eine zweite Uhr, die mit einer Frequenz von 125 MHz arbeitet.

Sie werden vielleicht feststellen, dass dies bemerkenswert niedriger ist als die 6 GHz, die unter optimalen Bedingungen von modernen CPUs erreicht werden können. Anstatt einen Takt zur Steuerung der CPU-Geschwindigkeit zu erstellen und ihn dann auf genau diese Frequenz zu sperren, wird die Frequenz einer CPU und anderer Geräte über einen Multiplikator eingestellt. Der Multiplikator multipliziert, wie viele Impulse es pro Sekunde gibt. Einer der entscheidenden Vorteile dabei ist, dass der Multiplikator angepasst werden kann. Diese Anpassung kann im Handumdrehen erfolgen und ermöglicht eine feine Leistungssteuerung basierend auf thermischem Headroom, Power Headroom und Last.

Designbeschränkungen beim Arbeiten mit Taktimpulsen

Die Synchronisierung mit Uhren erhöht die RAM-Leistung erheblich und kommt den meisten PC-Komponenten zugute. Es hat jedoch einige ungewöhnliche Einschränkungen. Während es den Arbeitsspeicher beschleunigt, deutet eine Denkschule darauf hin, dass es die CPUs verlangsamt.

Eine CPU-Taktrate muss auf eine konservative Schätzung der Worst-Case-Leistung der langsamsten Funktion einer CPU begrenzt werden. Auf diese Weise können Sie garantieren, dass alles in einem Taktzyklus abgeschlossen wird und einige Dinge nicht überlaufen und unbeabsichtigte Konfigurationen erzeugen. Dies bedeutet, dass eine CPU, die nicht an eine Uhr gebunden ist, Operationen so schnell ausführen kann, wie sie möchte, und dann sofort mit der nächsten fortfahren kann, theoretisch viel schneller arbeiten könnte.

Das Problem dabei ist die Logik. Da die Dinge nicht unbedingt nach einem vorhersehbaren Zeitplan abgeschlossen werden, müssen Sie viele zusätzliche Verifizierungsschaltkreise hinzufügen. Da dieses Architekturkonzept nicht bevorzugt wird, existiert außerdem keine voll funktionsfähige CPU-Entwurfssoftware, um asynchrone CPUs zu entwerfen. Dies macht es schwierig zu überprüfen, ob das Konzept einen allgemeinen Leistungsschub bringen würde.

Elektronen sind langsam

Während Sie vielleicht denken, dass die Bereitstellung eines Taktsignals für eine CPU relativ einfach ist, ist dies keineswegs der Fall. Moderne CPUs sind ziemlich groß und sehr kompliziert; Das bedeutet, dass die Laufzeit eines elektrischen Signals von einer Seite zur anderen erheblich sein kann, zumindest im Vergleich zu einer sechsmilliardstel Sekunde. Das Taktsignal wird der CPU an vielen Stellen zugeführt, um sicherzustellen, dass die gesamte CPU perfekt synchronisiert ist.

Da CPUs größer und die Funktionsdichte höher werden, sind mehr Schaltkreise erforderlich, um eine genaue Taktung bereitzustellen. Darüber hinaus hat sich der Widerstand auf den kleineren Drähten erhöht, da der „Knoten“ von CPUs abgenommen hat. Dies bedeutet, dass die zum Ticken der Uhr benötigte Leistung moderner CPUs einen angemessenen Anteil an der Gesamtstromaufnahme ausmacht.

Da sich die Leistungsaufnahme direkt auf die Wärmeerzeugung auswirkt, hat sie einen zweiteiligen Einfluss auf die CPU-Leistung, beide negativ. Dies ist ein weiteres Argument für asynchrone CPUs. Da ihnen eine Uhr fehlt, fehlt ihnen diese Leistungsaufnahme und Wärmeerzeugung, wodurch mehr Wärme- und Leistungsreserven für die tatsächliche Leistung übrig bleiben, was weiter dazu beiträgt, die notwendige Zunahme der Komplexität auszugleichen.

Abschluss

Ein Taktimpuls ist die Spitze eines Rechteckwellen-Taktsignals, das für die Computersynchronisierung verwendet wird. Die meisten Komponenten verwenden speziell die ansteigende Flanke dieses Impulses, um zu arbeiten. DDR-RAM verwendet jedoch sowohl die ansteigende als auch die abfallende Flanke des Impulses, um zu arbeiten. Ein Taktgenerator, beispielsweise ein piezoelektrischer Quarzoszillator, erzeugt den Impuls. Diese Impulse werden dann typischerweise durch einen Multiplizierer modifiziert, um genau der gewünschten Taktgeschwindigkeit zu entsprechen.