Che cosè il clock gating?

La velocità di clock è fondamentale per le prestazioni della CPU. Almeno, questo è ciò che il reparto marketing delle aziende che progettano e vendono CPU vorrebbe che tu pensassi. Naturalmente, ci sono molti altri fattori e la ponderazione di tutti dipende dal tuo caso d'uso. Un videogioco con pochi thread in genere trarrà vantaggio da un core veloce e luminoso, supportato da alcuni core più lenti. Un computer di rendering in genere trarrà vantaggio dal maggior numero di core possibile e, sebbene più veloce sia meglio, più core sono ancora meglio. Negli ambienti mobili le prestazioni sono importanti, ma l'efficienza energetica è fondamentale, soprattutto quando non sono richieste prestazioni di picco.

Molti fattori influenzano le prestazioni in tutti questi scenari, ma un fattore costante è l'orologio. Nella CPU il segnale di clock determina quando accadono le cose. Una frequenza di clock più veloce significa più operazioni in un dato tempo. Sembra fantastico, sicuramente vuoi solo che funzioni il più velocemente possibile, giusto? Non così in fretta. In primo luogo, ogni ticchettio dell'orologio provoca un impulso di potenza. Questo potere deve venire da qualche parte. Ne consegue anche la produzione di calore, che poi deve essere dissipato. In secondo luogo, in realtà è davvero difficile garantire che tutto rimanga correttamente sincronizzato, e diventa più difficile quanto più velocemente il ticchettio dell'orologio.

Potenza e gestione termica

Ci sono due usi principali dell'energia elettrica. Il primo è la corrente costante di un sistema acceso. Il secondo è l'impulso dovuto all'accensione di un sistema. La principale fonte di consumo di energia in una CPU è in realtà dovuta alla costante accensione e spegnimento dei circuiti. Il segnale di clock guida quella commutazione. Inoltre, da solo, contribuisce a una quantità non trascurabile di tale consumo di energia.

Il fatto è che alcuni componenti hardware su una CPU non sono necessari in ogni ciclo della CPU. Nella maggior parte dei cicli di clock, ad esempio, non sarà necessario un singolo registro. Pertanto, l'invio di un segnale di clock e l'attivazione e la disattivazione rapida comportano semplicemente uno spreco di energia, senza alcun guadagno. Il clock gating è la tecnica per impedire al segnale di clock di raggiungere aree della CPU che non sono necessarie per quel particolare ciclo di clock.

L'hardware per il clock gating deve essere posizionato nel percorso del segnale di clock verso ogni parte di funzionalità che potresti voler separare dal clock. Laddove più bit di funzionalità sono sempre ed esclusivamente necessari insieme, può essere possibile posizionarli dietro lo stesso cancello dell'orologio. Disattivando il segnale dell'orologio dietro il cancello, è possibile rimuovere la principale fonte di consumo di energia. Questo può aiutare a ridurre significativamente il consumo energetico, che è particolarmente importante per i dispositivi alimentati a batteria.

Nota: il gate dell'orologio stesso consuma energia, quindi è importante assicurarsi che venga utilizzato solo dove risparmierà più energia di quanta ne usi.

Il limite di velocità assoluto

Abbiamo detto prima che diventa più difficile sincronizzare orologi veloci. Sfortunatamente, questa è una regola ferrea imposta dalla fisica di base. La velocità massima alla quale qualsiasi cosa può viaggiare è la velocità della luce nel vuoto. Sono circa trecento milioni di metri al secondo (o 670.600.000 miglia all'ora) che è davvero veloce. Un'altra cosa davvero veloce è la velocità di clock delle moderne CPU. 5,7 GHz o 5,7 miliardi di tick al secondo si traducono in un tick di clock ogni 175 picosecondi o 0,175 nanosecondi. Una volta messi insieme, puoi capire fino a che punto la luce può viaggiare nel tempo di un singolo ticchettio dell'orologio. È 55 mm o 2,1 pollici.

Ora i computer non funzionano con i fotoni, almeno non lo fanno ancora, sebbene la fotonica sia un campo in evoluzione. I computer funzionano con elettroni che si muovono più lentamente. Inoltre, non c'è una sola linea retta per il viaggio degli elettroni e ci sono molti componenti elettronici che si frappongono. Ognuno di questi ritarda la propagazione del segnale. A tal fine, il segnale di clock deve essere introdotto in una CPU in molti punti diversi per essere effettivamente sincronizzato correttamente nell'intera operazione.

Come accennato, l'elettronica intervenuta rallenta la propagazione del segnale di clock. Questo vale anche per i cancelli dell'orologio. Pertanto, durante la progettazione della CPU, è importante tenerne conto. È anche importante capire esattamente quale effetto può avere sulla forma complessiva del segnale di clock. Un fronte di salita leggermente ritardato può essere combinato con un fronte di discesa correttamente allineato, con conseguente periodo di clock più breve e funzioni potenzialmente incomplete.

Conclusione

Un Clock Gate è un componente del circuito utilizzato nella progettazione del processore. Impedisce o consente al segnale di clock di sincronizzazione di raggiungere uno o più ulteriori componenti. Questo agisce essenzialmente come un interruttore. Lo scopo principale è risparmiare energia non spendendo energia attivando e disattivando circuiti che non dovrebbero fare nulla. Impedisce inoltre che l'energia venga convertita in calore. Ciò lascia più budget termico e energetico per altri componenti del processore che vengono utilizzati. In alternativa, riduce il carico complessivo del sistema sul sistema di alimentazione e raffreddamento. La progettazione del sistema deve tenere conto del ritardo che qualsiasi componente, anche un interruttore, pone su un segnale di clock così strettamente sincronizzato. È inoltre necessario prestare attenzione per garantire che l'apertura del cancello non invii un segnale di clock abbreviato se il segnale di clock è già alto quando il cancello si apre.