¿Qué es la activación del reloj?

La velocidad del reloj es muy importante para el rendimiento de la CPU. Al menos, eso es lo que le gustaría que pensara el departamento de marketing de las empresas que diseñan y venden CPU. Por supuesto, hay muchos otros factores y la ponderación de todos ellos depende de su caso de uso. Un videojuego con subprocesos ligeros generalmente se beneficiará de un núcleo rápido de iluminación, respaldado por algunos núcleos más lentos. Una computadora de renderizado normalmente se beneficiará de tantos núcleos como sea posible, y mientras más rápido es mejor, más núcleos son aún mejores. En entornos móviles, el rendimiento es importante, pero la eficiencia energética es primordial, especialmente cuando no se requiere un rendimiento máximo.

Muchos factores afectan el rendimiento en todos estos escenarios, pero un factor constante es el reloj. En la CPU, la señal del reloj determina cuándo suceden las cosas. Una tasa de tic de reloj más rápida significa más operaciones en un tiempo determinado. Esto suena genial, seguramente solo quieres que funcione lo más rápido posible, ¿verdad? No tan rapido. En primer lugar, cada tictac del reloj provoca un pulso de energía. Este poder tiene que venir de alguna parte. También da como resultado la producción de calor, que luego debe disiparse. En segundo lugar, en realidad es muy difícil asegurarse de que todo permanezca correctamente sincronizado, y se vuelve más difícil cuanto más rápido avanza el reloj.

Gestión energética y térmica

Hay dos usos principales de la energía eléctrica. El primero es la corriente constante de un sistema que está encendido. El segundo es la oleada de un sistema que se está encendiendo. La principal fuente de uso de energía en una CPU se debe en realidad al encendido y apagado constante de los circuitos. La señal del reloj impulsa esa conmutación. También, solo, contribuye con una cantidad no trivial de ese uso de energía.

La cuestión es que algunas piezas de hardware en una CPU no son necesarias en cada ciclo de CPU. En la mayoría de los ciclos de reloj, no se necesitará un registro individual, por ejemplo. Como tal, enviarle una señal de reloj y hacer que se encienda y apague rápidamente simplemente desperdicia energía, sin ganancia. La activación del reloj es la técnica de evitar que la señal del reloj alcance áreas de la CPU que no son necesarias para ese ciclo de reloj en particular.

El hardware para la activación del reloj debe colocarse en la ruta de la señal del reloj a cada pieza de funcionalidad que desee desconectar del reloj. Cuando se necesitan siempre y exclusivamente múltiples bits de funcionalidad juntos, puede ser posible colocarlos detrás de la misma puerta de reloj. Al deshabilitar la señal del reloj detrás de la puerta, se puede eliminar la fuente principal de uso de energía. Esto puede ayudar a reducir significativamente el consumo de energía, lo cual es especialmente importante para los dispositivos que funcionan con baterías.

Nota: la puerta del reloj en sí usa energía, por lo que es importante asegurarse de que solo se use donde ahorrará más energía de la que usa.

El límite de velocidad absoluto

Mencionamos antes que se vuelve más difícil sincronizar relojes rápidos. Desafortunadamente, esa es una regla estricta y rápida impuesta por la física básica. La velocidad más rápida a la que cualquier cosa puede viajar es la velocidad de la luz en el vacío. Eso es aproximadamente trescientos millones de metros por segundo (o 670,600,000 millas por hora) que es muy rápido. Otra cosa que es realmente rápida es la velocidad del reloj en las CPU modernas. 5,7 GHz o 5700 millones de tics por segundo se traduce en un tic de reloj cada 175 picosegundos o 0,175 nanosegundos. Cuando se juntan, puedes calcular qué tan lejos puede viajar la luz en el marco de tiempo de un solo tic de reloj. Mide 55 mm o 2,1 pulgadas.

Ahora las computadoras no funcionan con fotones, al menos todavía no lo hacen, aunque la fotónica es un campo en progreso. Las computadoras funcionan con electrones que se mueven más lentamente. Tampoco hay una sola línea recta para que viajen los electrones y hay muchos componentes electrónicos que se interponen en el camino. Cada uno de estos retrasa la propagación de la señal. Con ese fin, la señal del reloj debe introducirse en una CPU en muchos puntos diferentes para sincronizarse correctamente en todo el proceso.

Como se mencionó, la electrónica que interviene ralentiza la propagación de la señal del reloj. Esto es cierto incluso para las puertas del reloj. Como tal, durante el diseño de la CPU, es importante tener esto en cuenta. También es importante comprender exactamente qué efecto puede tener esto en la forma general de la señal del reloj. Un borde de ataque ligeramente retrasado se puede combinar con un borde de bajada correctamente alineado, lo que da como resultado un período de reloj más corto y funciones potencialmente incompletas.

Conclusión

Una puerta de reloj es un componente de circuito utilizado en el diseño de procesadores. Impide o permite que la señal del reloj de sincronización llegue a uno o más componentes adicionales. Esto esencialmente actúa como un interruptor. El propósito principal es ahorrar energía al no gastar energía activando y desactivando circuitos que se supone que no deben hacer nada. También evita que la energía se convierta en calor. Esto deja más presupuesto térmico y de energía para otros componentes del procesador que se están utilizando. Alternativamente, reduce la carga general del sistema en el sistema de alimentación y refrigeración. El diseño del sistema debe tener en cuenta el retraso que cualquier componente, incluso un interruptor, coloca en una señal de reloj tan estrictamente sincronizada. También se debe tener cuidado para asegurarse de que al abrir la puerta no se envíe una señal de reloj acortada si la señal del reloj ya es alta cuando se abre la puerta.