Che cosè un impulso dellorologio?

In un computer, la maggior parte dei componenti è sincronizzata con un orologio. Tuttavia, non tutto è necessariamente sincronizzato con lo stesso orologio. La CPU, ad esempio, può funzionare in modo incredibilmente veloce, con i modelli di fascia alta che si avvicinano a raggiungere i 6 miliardi di cicli al secondo. La maggior parte degli altri componenti non è in grado di eguagliare questa incredibile velocità. L'orologio indica esattamente quando un componente dovrebbe funzionare. L'esatta funzionalità, ovviamente, dipende dal componente. Ma il concetto di base è lo stesso, sempre sincronizzato con il ticchettio dell'orologio.

In un computer, quasi tutti gli orologi sono segnalati con un'onda quadra. Un impulso di clock è il "picco" dell'onda quadra. È interessante notare che nulla utilizza quel picco come fattore scatenante per qualcosa. Anche un orologio che ticchetta 6 miliardi di volte al secondo trascorre abbastanza tempo nel picco e nella depressione che il momento esatto avrebbe una variazione sufficiente per causare problemi. Invece, la maggior parte dei dispositivi opera specificamente sul fronte di salita dell'impulso di clock quando si attiva.

La RAM è un'eccezione interessante. Potresti sapere che le generazioni di RAM sono attualmente denominate "DDR X". Questo termine DDR è significativo. Sta per "Double Data Rate". Mentre i dispositivi standard funzionano solo sul fronte di salita dell'impulso di clock, la RAM DDR opera sia sul fronte di salita che su quello di discesa dell'impulso di clock. Questo raddoppia la sua larghezza di banda rispetto alla stessa tecnologia utilizzando Single Data Rate. Poiché la larghezza di banda è una parte fondamentale delle prestazioni della RAM, questa tecnologia DDR è ora universale nella RAM.

Come funziona l'impulso dell'orologio?

Un generatore di clock genera l'impulso di clock. Questo è tipicamente un cristallo di quarzo accuratamente modellato con una corrente elettrica passata su di esso. Una delle sue proprietà intrinseche è quella di generare un impulso elettrico perfettamente regolare. Sebbene i cristalli possano essere sintonizzati su una gamma di frequenze, in genere ne vengono utilizzati solo due e quindi solo uno di questi è dominante. La maggior parte dei clock ticchetta a 100 MHz o 100 milioni di cicli al secondo. Alcuni computer sono dotati di un secondo orologio che funziona a una frequenza di 125 MHz.

Si può notare che questo è notevolmente inferiore ai 6GHz ottenibili, in condizioni ottimali, dalle moderne CPU. Invece di creare un clock per controllare la velocità della CPU e quindi bloccarlo su quella frequenza esatta, la frequenza di una CPU e di altri dispositivi viene impostata tramite un moltiplicatore. Il moltiplicatore moltiplica quanti impulsi ci sono al secondo. Uno dei principali vantaggi di questo è che il moltiplicatore può essere regolato. Questa regolazione può avvenire al volo, consentendo un controllo preciso delle prestazioni in base al margine termico, al margine di potenza e al carico.

Limitazioni di progettazione derivanti dall'utilizzo degli impulsi di clock

La sincronizzazione con gli orologi aumenta significativamente le prestazioni della RAM e avvantaggia la maggior parte dei componenti del PC. Tuttavia, presenta alcune limitazioni insolite. Sebbene abbia accelerato la RAM, una scuola di pensiero suggerisce che abbia rallentato le CPU.

Una frequenza di clock della CPU deve essere limitata a una stima conservativa delle prestazioni nel caso peggiore della funzione più lenta di una CPU. In questo modo, puoi garantire che tutto venga completato in un ciclo di clock e che alcune cose non si esauriscano, creando configurazioni indesiderate. Ciò significa che una CPU non vincolata da un clock, in grado di completare le operazioni alla velocità che desidera e quindi in grado di passare immediatamente a quella successiva, potrebbe teoricamente operare molto più velocemente.

Il problema con questo è la logica. Poiché le cose non si completano necessariamente secondo un programma prevedibile, è necessario aggiungere molti circuiti di verifica extra. Inoltre, poiché questo concetto di architettura è sfavorevole, non esiste alcun software di progettazione CPU completo per progettare CPU asincrone. Ciò rende difficile verificare se il concetto fornirebbe un aumento delle prestazioni complessive.

Gli elettroni sono lenti

Sebbene tu possa pensare che fornire un segnale di clock a una CPU sia relativamente semplice, non lo è affatto. Le CPU moderne sono piuttosto grandi e profondamente intricate; ciò significa che il tempo di propagazione di un segnale elettrico da una parte all'altra può essere significativo, almeno rispetto a un sei miliardesimi di secondo. Il segnale di clock viene introdotto nella CPU in molti punti per garantire che l'intera CPU sia perfettamente sincronizzata.

Man mano che le CPU diventano più grandi e la densità delle funzionalità aumenta, sono necessari più circuiti per fornire un clock accurato. Inoltre, al diminuire del “Nodo” delle CPU, è aumentata la resistenza sui fili più piccoli. Ciò significa che la potenza richiesta per ticchettare l'orologio sulle moderne CPU costituisce una proporzione ragionevole dell'assorbimento di potenza complessivo.

Poiché l'assorbimento di potenza influisce direttamente sulla produzione di calore, ha un impatto in due parti sulle prestazioni della CPU, entrambi negativi. Questo è un ulteriore argomento per le CPU asincrone. Mancando un clock, mancano di questo assorbimento di potenza e produzione di calore, lasciando più margine termico e di potenza per le prestazioni effettive, contribuendo ulteriormente a compensare il necessario aumento di complessità.

Conclusione

Un impulso di clock è il picco di un segnale di clock ad onda quadra utilizzato per la sincronizzazione del computer. La maggior parte dei componenti utilizza specificamente il fronte di salita di tale impulso per funzionare. La RAM DDR, tuttavia, utilizza sia il fronte di salita che quello di discesa dell'impulso per funzionare. Un generatore di clock, come un oscillatore piezoelettrico al quarzo, genera l'impulso. Questi impulsi vengono quindi tipicamente modificati da un moltiplicatore per corrispondere con precisione alla velocità di clock desiderata.