Quest-ce que le déclenchement dhorloge ?

La vitesse d'horloge est très importante pour les performances du processeur. C'est du moins ce que le service marketing des entreprises qui conçoivent et vendent des processeurs voudrait que vous pensiez. Bien sûr, il existe de nombreux autres facteurs et la pondération de chacun d'eux dépend de votre cas d'utilisation. Un jeu vidéo légèrement fileté bénéficiera généralement d'un cœur rapide d'éclairage, soutenu par quelques cœurs plus lents. Un ordinateur de rendu bénéficiera généralement d'autant de cœurs que possible, et bien que plus rapide soit mieux, plus de cœurs sont encore mieux. Dans les environnements mobiles, les performances sont importantes, mais l'efficacité énergétique est primordiale, en particulier lorsque des performances de pointe ne sont pas requises.

De nombreux facteurs affectent les performances dans tous ces scénarios, mais un facteur constant est l'horloge. Dans le CPU, le signal d'horloge détermine le moment où les choses se produisent. Un rythme d'horloge plus rapide signifie plus d'opérations dans un temps donné. Cela a l'air génial, vous voulez sûrement que ça marche aussi vite que possible, n'est-ce pas ? Pas si vite. Tout d'abord, chaque tic de l'horloge provoque une impulsion de puissance. Ce pouvoir doit venir de quelque part. Il en résulte également la production de chaleur, qui doit ensuite être dissipée. Deuxièmement, il est en fait très difficile de s'assurer que tout reste correctement synchronisé, et cela devient plus difficile plus l'horloge tourne vite.

Gestion électrique et thermique

Il existe deux utilisations principales de l'énergie électrique. Le premier est le courant constant d'un système sous tension. La seconde est la surtension d'un système en cours de mise en marche. La principale source de consommation d'énergie dans un processeur est en fait due à l'activation et à la désactivation constantes des circuits. Le signal d'horloge commande cette commutation. Il contribue également, à lui seul, à une quantité non négligeable de cette consommation d'énergie.

Le fait est que certains composants matériels d'un processeur ne sont pas nécessaires à chaque cycle de processeur. Dans la plupart des cycles d'horloge, un registre individuel, par exemple, ne sera pas nécessaire. En tant que tel, lui envoyer un signal d'horloge et le faire s'allumer et s'éteindre rapidement gaspille simplement de l'énergie, sans gain. Le déclenchement d'horloge est la technique qui empêche le signal d'horloge d'atteindre les zones du processeur qui ne sont pas nécessaires pour ce cycle d'horloge particulier.

Le matériel de déclenchement de l'horloge doit être placé sur le chemin du signal d'horloge vers chaque élément de fonctionnalité que vous souhaitez peut-être désactiver à partir de l'horloge. Lorsque plusieurs éléments de fonctionnalité sont toujours et exclusivement nécessaires ensemble, il peut être possible de les placer derrière la même porte d'horloge. En désactivant le signal d'horloge derrière la porte, la principale source de consommation d'énergie peut être supprimée. Cela peut aider à réduire considérablement la consommation d'énergie, ce qui est particulièrement important pour les appareils alimentés par batterie.

Remarque : la porte d'horloge elle-même consomme de l'énergie, il est donc important de s'assurer qu'elle n'est utilisée que là où elle économisera plus d'énergie qu'elle n'en utilise.

La limite de vitesse absolue

Nous avons mentionné précédemment qu'il devient plus difficile de synchroniser des horloges rapides. Malheureusement, c'est une règle dure et rapide imposée par la physique de base. La vitesse la plus rapide à laquelle quelque chose peut se déplacer est la vitesse de la lumière dans le vide. C'est à peu près trois cents millions de mètres par seconde (ou 670 600 000 miles par heure) c'est vraiment rapide. Une autre chose qui est vraiment rapide est la vitesse d'horloge des processeurs modernes. 5,7 GHz ou 5,7 milliards de ticks par seconde se traduisent par un tick d'horloge toutes les 175 picosecondes, soit 0,175 nanosecondes. Une fois assemblés, vous pouvez déterminer la distance parcourue par la lumière en l'espace d'un seul tic d'horloge. C'est 55 mm ou 2,1 pouces.

Maintenant, les ordinateurs ne fonctionnent pas avec des photons, du moins pas encore, bien que la photonique soit un domaine en progrès. Les ordinateurs fonctionnent avec des électrons qui se déplacent plus lentement. Il n'y a pas non plus une seule ligne droite pour que les électrons se déplacent et il y a de nombreux composants électroniques qui gênent. Chacun de ces retards la propagation du signal. À cette fin, le signal d'horloge doit être introduit dans un processeur à de nombreux points différents pour être correctement synchronisé sur l'ensemble.

Comme mentionné, l'électronique intermédiaire ralentit la propagation du signal d'horloge. Cela est vrai même pour les portes d'horloge. En tant que tel, lors de la conception du processeur, il est important d'en tenir compte. Il est également important de comprendre exactement quel effet cela peut avoir sur la forme globale du signal d'horloge. Un front montant légèrement retardé peut être combiné avec un front descendant correctement aligné, ce qui entraîne une période d'horloge plus courte et des fonctions potentiellement incomplètes.

Conclusion

Une porte d'horloge est un composant de circuit utilisé dans la conception de processeurs. Il empêche ou permet au signal d'horloge de synchronisation d'atteindre un ou plusieurs autres composants. Cela agit essentiellement comme un interrupteur. L'objectif principal est d'économiser de l'énergie en ne dépensant pas d'énergie pour activer et désactiver des circuits qui ne sont censés rien faire. Il empêche également cette énergie d'être convertie en chaleur. Cela laisse plus de budget thermique et énergétique pour les autres composants du processeur qui sont utilisés. Alternativement, cela réduit la charge globale du système sur le système d'alimentation et de refroidissement. La conception du système doit tenir compte du retard que tout composant, même un interrupteur, place sur un signal d'horloge aussi étroitement synchronisé. Des précautions doivent également être prises pour s'assurer que l'ouverture de la porte n'envoie pas un signal d'horloge raccourci si le signal d'horloge est déjà élevé lorsque la porte s'ouvre.