¿Qué es un pulso de reloj?

En una computadora, la mayoría de los componentes están sincronizados con un reloj. Sin embargo, no todo está necesariamente sincronizado con el mismo reloj. La CPU, por ejemplo, puede funcionar increíblemente rápido, con modelos de gama alta que se acercan a alcanzar los 6 mil millones de ciclos por segundo. La mayoría de los otros componentes no pueden igualar esta increíble velocidad. El reloj indica exactamente cuándo se supone que debe funcionar un componente. La funcionalidad exacta, por supuesto, depende del componente. Pero el concepto básico es el mismo, permanentemente sincronizado con el tictac del reloj.

En una computadora, casi todos los relojes están señalados con una onda cuadrada. Un pulso de reloj es el "pico" de la onda cuadrada. Curiosamente, nada usa ese pico como desencadenante de nada. Incluso un reloj que marca 6 mil millones de veces por segundo pasa suficiente tiempo en el pico y en el valle que el tiempo exacto tendría suficiente variación para causar problemas. En cambio, la mayoría de los dispositivos operan específicamente en el flanco ascendente del pulso del reloj a medida que se activa.

La memoria RAM es una excepción interesante. Es posible que sepa que las generaciones de RAM se conocen actualmente como "DDR X". Este término DDR es significativo. Significa "Doble velocidad de datos". Mientras que los dispositivos estándar funcionan solo en el flanco ascendente del pulso del reloj, la DDR RAM funciona tanto en el flanco ascendente como en el descendente del pulso del reloj. Esto duplica su ancho de banda sobre la misma tecnología utilizando Single Data Rate. Como el ancho de banda es una parte fundamental del rendimiento de la memoria RAM, esta tecnología DDR ahora es universal en la memoria RAM.

¿Cómo funciona el pulso del reloj?

Un generador de reloj genera el pulso de reloj. Este es típicamente un cristal de cuarzo cuidadosamente formado con una corriente eléctrica que pasa sobre él. Una de sus propiedades intrínsecas es que genera un pulso de electricidad perfectamente regular. Si bien los cristales se pueden sintonizar en un rango de frecuencias, por lo general, solo se usan dos, y luego solo uno de ellos es dominante. La mayoría de los relojes marcan 100 MHz o 100 millones de ciclos por segundo. Algunas computadoras cuentan con un segundo reloj que opera a una frecuencia de 125 MHz.

Puede notar que esto es notablemente más bajo que los 6 GHz que pueden obtener, en condiciones óptimas, las CPU modernas. En lugar de hacer un reloj para controlar la velocidad de la CPU y luego bloquearlo en esa frecuencia exacta, la frecuencia de una CPU y otros dispositivos se establece a través de un multiplicador. El multiplicador multiplica cuántos pulsos hay por segundo. Una de las principales ventajas de esto es que el multiplicador se puede ajustar. Este ajuste puede ocurrir sobre la marcha, lo que permite un control preciso del rendimiento basado en el margen térmico, el margen de potencia y la carga.

Limitaciones de diseño al trabajar con pulsos de reloj

La sincronización con los relojes aumenta significativamente el rendimiento de la RAM y beneficia a la mayoría de los componentes de la PC. Sin embargo, tiene algunas limitaciones inusuales. Si bien aceleró la RAM, una escuela de pensamiento sugiere que ralentizó las CPU.

La frecuencia de reloj de una CPU debe limitarse a una estimación conservadora del rendimiento en el peor de los casos de la función más lenta de una CPU. De esta manera, puede garantizar que todo se complete en un ciclo de reloj y que no se desborden algunas cosas, creando configuraciones no deseadas. Esto significa que una CPU sin reloj, capaz de completar operaciones tan rápido como quiera y luego pasar a la siguiente de inmediato, teóricamente podría operar mucho más rápido.

El problema de esto es la lógica. Como las cosas no necesariamente se completan en un horario predecible, debe agregar una gran cantidad de circuitos de verificación adicionales. Además, como este concepto de arquitectura es desfavorable, no existe un software de diseño de CPU con todas las funciones para diseñar CPU asíncronas. Esto hace que sea difícil verificar si el concepto proporcionaría un aumento del rendimiento general.

Los electrones son lentos

Si bien puede pensar que proporcionar una señal de reloj a una CPU es relativamente simple, no lo es en absoluto. Las CPU modernas son bastante grandes y profundamente complejas; esto significa que el tiempo de propagación de una señal eléctrica de un lado a otro puede ser significativo, al menos comparado con una seis milmillonésima de segundo. La señal del reloj se introduce en la CPU en muchos lugares para garantizar que toda la CPU esté perfectamente sincronizada.

A medida que las CPU se hacen más grandes y la densidad de funciones aumenta, se requieren más circuitos para proporcionar una sincronización precisa. Además, a medida que el "Nodo" de las CPU ha disminuido, la resistencia en los cables más pequeños ha aumentado. Esto significa que la energía necesaria para hacer funcionar el reloj en las CPU modernas constituye una proporción razonable del consumo total de energía.

Como el consumo de energía afecta directamente a la producción de calor, tiene un impacto de dos partes en el rendimiento de la CPU, ambas negativas. Este es otro argumento a favor de las CPU asíncronas. Al carecer de un reloj, carecen de este consumo de energía y producción de calor, lo que deja más margen térmico y de energía para el rendimiento real, lo que ayuda a compensar el aumento necesario en la complejidad.

Conclusión

Un pulso de reloj es el pico de una señal de reloj de onda cuadrada utilizada para la sincronización de la computadora. La mayoría de los componentes usan específicamente el flanco ascendente de ese pulso para operar. DDR RAM, sin embargo, utiliza tanto el borde ascendente como el descendente del pulso para operar. Un generador de reloj, como un oscilador piezoeléctrico de cuarzo, genera el pulso. Luego, estos pulsos generalmente se modifican mediante un multiplicador para que coincidan con precisión con la velocidad de reloj deseada.