Was ist Taktrate?

Die überwiegende Mehrheit der Computerprozessoren arbeitet basierend auf einer Taktrate. Die Taktrate ist ein Maß für die Schwingungsfrequenz des Taktgenerators des Prozessors. Diese Taktimpulse werden verwendet, um die Operationen des Prozessors zu synchronisieren, und sind ein vernünftiger Indikator für die Prozessorgeschwindigkeit. Mit anderen Worten, es ist die Rate, mit der die CPU bestimmte Funktionen ausführen kann.

Die Taktrate wird in Zyklen pro Sekunde mit der SI-Einheit Hertz gemessen. Moderne CPUs und GPUs werden normalerweise in Gigahertz (GHz) oder Milliarden von Zyklen pro Sekunde gemessen. In der Vergangenheit wurden Megahertz (MHz) und sogar Kilohertz (kHz) verwendet, wenn die Prozessortaktraten niedriger waren.

Die Uhr ist nicht dort, wo Sie denken, dass sie ist

Man könnte meinen, dass sich der eigentliche Taktgenerator, der zum Einstellen der Taktrate einer CPU verwendet wird, auf der CPU selbst befindet. Der Taktgenerator befindet sich im CPU-Chipsatz auf der Hauptplatine. Der Chipsatz stellt den Basistakt ein. Dies sind typischerweise genau 100 MHz. Die CPU stellt dann ihre Taktrate ein, indem sie einen Multiplikator auf den Basistakt anwendet.

Der Kernoszillator, der den Takt vorgibt, ist ein Quarz, der bei Anlegen einer elektrischen Ladung mit genau einer Frequenz schwingt. Durch die Verwendung eines Multiplikators ist es möglich, den tatsächlichen CPU-Takt beliebig zu verändern. Dies kann sich als nützlich erweisen, wenn versucht wird, im Leerlauf Strom zu sparen oder wenn versucht wird, unter Last höher zu boosten. Beim Übertakten wird dieser Multiplikator manuell erhöht.

Einige Motherboards bieten einen zweiten Basistakt, der mit 125 MHz betrieben werden kann. Dadurch entsteht ein zweiter physikalischer Quarzkristall, der schneller schwingt. Wie Sie vielleicht erwarten, kann dies die Systemleistung sogar auf CPUs mit einem gesperrten Multiplikator erhöhen, da es jetzt nicht mehr möglich ist, einen größeren Wert zu multiplizieren. Leider kann dies zu Stabilitätsproblemen mit anderen Komponenten führen, da im Grunde alles von einem Basistakt von 100 MHz ausgeht. Ihr Kilometerstand kann variieren, aber dies ist im Allgemeinen nicht ratsam.

Zulassen von Geschwindigkeitsbegrenzungen

Elektronen in elektrischen Schaltkreisen können sich ziemlich schnell fortbewegen, typischerweise zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Das mag schnell klingen, aber bei Taktraten im GHz-Bereich gibt es einige Probleme. Bei einer Taktrate von 5 GHz oszilliert der CPU-Takt einmal alle 0,2 Nanosekunden. Die absolute Geschwindigkeitsgrenze des Universums ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Lichtgeschwindigkeit ist sehr schnell, fast 300 Millionen Meter pro Sekunde. Dennoch legt Licht in 0,2 Nanosekunden nur 6 Zentimeter oder 2,4 Zoll zurück.

Nun, CPUs sind nicht besonders groß, aber sie sind relativ knapp sechs Zentimeter groß. Der Weg, den ein – langsamer als Licht – Elektron durch eine CPU nehmen würde, ist kaum geradlinig. Dies führt zu Kohärenzproblemen, da – bei einem einzigen Takt – eine Seite der CPU einfach den Takt später bekommen würde. Um dem entgegenzuwirken, haben CPUs mehrere Uhren, die alle sorgfältig synchronisiert sind, aber einen viel kleineren Bereich innerhalb der gesamten CPU abdecken. Dadurch können moderne Hochgeschwindigkeits-CPUs synchron bleiben.

Klasseneinteilung

CPUs sind für eine bestimmte Taktfrequenz ausgelegt. Hersteller verkaufen sie mit einer garantierten Taktrate. Die schnelleren Modelle werden fast immer teurer sein. Auch ohne Mängel führen Fertigungstoleranzen zu leichten Schwankungen, die die Leistung beeinträchtigen. Bevor jede CPU verkauft wird, wird sie getestet, um ihre Fähigkeiten zu bestätigen. Es wird in eine Hochleistungs-„Tonne“ sortiert, wenn es die höchste Taktrate erreichen kann.

In ähnlicher Weise werden CPUs, die die Spitzengeschwindigkeiten nicht erreichen, aber die Geschwindigkeiten erreichen können, die für niedrigere Prozessorstufen vorgesehen sind, in leistungsschwächere Behälter einsortiert. Dieser Vorgang wird als „Binning“ bezeichnet und bedeutet im Allgemeinen, dass teurere CPUs wahrscheinlich mit höheren Taktraten laufen können. Es kann möglich sein, dass CPUs aus niedrigeren Bins eine bessere Leistung als ihre angekündigte Stufe erbringen. Sie können es jedoch möglicherweise nicht viel überschreiten, da sie normalerweise nicht in höheren Behältern platziert wurden.

Nicht jede CPU ist jedoch perfekt, und Herstellungsfehler können einfach verhindern, dass eine CPU jemals funktioniert. Diese Herstellungsfehler können manchmal geringfügig genug sein, dass bestimmte Funktionen einfach deaktiviert werden können. Wenn beispielsweise eine CPU einen winzigen Fehler aufweist, kann dies dazu führen, dass ein einzelner Kern nicht funktioniert, während der Rest der CPU in Ordnung ist.

Um das Produkt zu verkaufen, deaktiviert der Hersteller in der Regel betroffene Teile – und wenn nötig, um eine Produktstufe zu erfüllen – sogar einige einwandfrei funktionierende Teile. Dies kann es dem Hersteller ermöglichen, eine ehemalige Sechs-Kern-CPU als Vier-Kern-CPU zu verkaufen, was ihnen immer noch mehr Geld einbringt, als ein teures Produkt einfach wegzuwerfen. Normalerweise wirkt sich dies nicht direkt auf die Taktrate aus, obwohl es bedeuten kann, dass eine CPU, die eine Top-Bin-CPU gewesen wäre, in einer niedrigeren Stufe platziert wird, nur weil einige Teile deaktiviert wurden.

Abschluss

Die Taktrate ist ein kritischer Faktor für die CPU-Leistung, obwohl sie zwischen CPU-Architekturen möglicherweise nicht direkt vergleichbar ist. Die Taktrate einer CPU wird eigentlich indirekt eingestellt. In fast allen Computern wird ein Standard-Basistakt von 100 MHz verwendet.

Die CPU setzt dann einen Multiplikator auf diesen Basistakt, um ihre tatsächliche Taktrate zu erhalten. CPUs werden mit einer Garantie verkauft, mit einer bestimmten Taktrate oder darunter zu arbeiten. In vielen Fällen können sie durch Übertaktung darüber hinaus geschoben werden. Dies erfordert jedoch oft eine gute Kühlung, da es mehr Strom verbraucht und mehr Wärme erzeugt.