クロックパルスとは

コンピュータでは、ほとんどのコンポーネントが時計と同期しています。ただし、必ずしもすべてが同じクロックに同期しているわけではありません。たとえば、CPU は信じられないほど高速に実行でき、ハイエンドモデルでは毎秒 60 億サイクルに近づきます。他のほとんどのコンポーネントは、この信じられないほどの速度に匹敵することはできません. クロックは、コンポーネントがいつ動作するかを正確に示します。もちろん、正確な機能はコンポーネントによって異なります。しかし、基本的なコンセプトは同じで、時計の刻みと常に同期しています。

コンピュータでは、ほとんどすべてのクロックが方形波で信号を送られます。クロックパルスは方形波の「ピーク」です。興味深いことに、そのピークを何かのトリガーとして使用するものはありません。1 秒間に 60 億回刻む時計でさえ、ピークと谷間に十分な時間を費やすため、正確なタイミングには問題を引き起こすのに十分な変動があります。代わりに、ほとんどのデバイスは、クロックパルスがアクティブになると、クロックパルスの立ち上がりエッジで動作します。

RAM は興味深い例外です。RAM世代は現在「DDR X」と呼ばれていることをご存知かもしれません。この DDR 用語は重要です。「ダブルデータレート」の略です。標準デバイスはクロックパルスの立ち上がりエッジでのみ動作しますが、DDR RAM はクロックパルスの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方で動作します。これにより、シングルデータレートを使用する同じテクノロジーで帯域幅が 2 倍になります。帯域幅は RAM パフォーマンスの重要な部分であるため、この DDR 技術は現在 RAM で普遍的です。

クロックパルスの仕組み

クロックジェネレータは、クロックパルスを生成します。これは通常、電流が通過するように注意深く成形された水晶振動子です。その固有の特性の 1 つは、完全に規則的な電気パルスを生成することです。水晶はある範囲の周波数に調整できますが、通常は 2 つだけが使用され、そのうちの 1 つだけが支配的です。ほとんどのクロックは 100MHz または 1 秒あたり 1 億サイクルで刻みます。一部のコンピューターには、125MHz の周波数で動作する 2 番目のクロックが備わっています。

これは、最新の CPU が最適な条件で取得できる 6GHz よりも著しく低いことに気付くかもしれません。CPU 速度を制御するために 1 つのクロックを作成し、それをその正確な周波数にロックするのではなく、CPU およびその他のデバイスの周波数は乗数を介して設定されます。乗数は、1 秒あたりのパルス数を乗算します。これの主な利点の 1 つは、乗数を調整できることです。この調整はオンザフライで実行できるため、サーマルヘッドルーム、パワーヘッドルーム、および負荷に基づいてパフォーマンスを細かく制御できます。

クロックパルスの使用による設計上の制限

クロックに同期すると、RAM のパフォーマンスが大幅に向上し、ほとんどの PC コンポーネントにメリットがあります。ただし、いくつかの異常な制限があります。RAM の速度は向上しましたが、CPU の速度が低下したことを示唆する考え方があります。

CPU クロックレートは、CPU の最も遅い機能の最悪の場合のパフォーマンスの控えめな見積もりに制限する必要があります。このようにして、すべてが 1 クロックサイクルで完了することを保証できます。これは、クロックに縛られず、必要なだけ速く操作を完了し、すぐに次の操作に移ることができる CPU は、理論的にははるかに高速に動作できることを意味します。

これの問題はロジックです。物事は必ずしも予測可能なスケジュールで完了するとは限らないため、多くの検証回路を追加する必要があります。さらに、このアーキテクチャの概念は好ましくないため、非同期 CPU を設計するための完全な機能を備えた CPU 設計ソフトウェアは存在しません。これにより、このコンセプトによって全体的なパフォーマンスが向上するかどうかを検証することが難しくなります。

電子は遅い

CPU にクロック信号を供給するのは比較的簡単だと思うかもしれませんが、そうではありません。最新の CPU はかなり大きく、非常に複雑です。これは、一方の側から他方の側への電気信号の伝播時間が、少なくとも 60 億分の 1 秒に比べてかなり長いことを意味します。クロック信号は、CPU 全体が完全に同期されるように、多くの場所で CPU に導入されます。

CPU が大型化し、機能密度が高くなるにつれて、正確なクロッキングを提供するために必要な回路が増えます。さらに、CPU の「ノード」が減少するにつれて、より小さなワイヤの抵抗が増加しました。これは、最新の CPU でクロックを刻むために必要な電力が、消費電力全体の妥当な割合を占めていることを意味します。

消費電力は熱の発生に直接影響するため、CPU のパフォーマンスに 2 つの部分で影響し、どちらもマイナスです。これは、非同期 CPU のさらなる議論です。クロックがないため、この消費電力と熱生成が不足しているため、実際のパフォーマンスのために熱と電力の余裕があり、必要な複雑さの増加を補うのに役立ちます.

結論

クロックパルスは、コンピュータの同期に使用される方形波クロック信号のピークです。ほとんどのコンポーネントは、特にそのパルスの立ち上がりエッジを使用して動作します。ただし、DDR RAM は、パルスの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方を使用して動作します。水晶圧電発振器などのクロック発生器がパルスを生成します。これらのパルスは通常、目的のクロック速度に正確に一致するように乗算器によって変更されます。