クロックゲーティングとは

クロック速度は、CPU パフォーマンスにとってすべて重要です。少なくとも、CPU を設計および販売する企業のマーケティング部門は、そのように考えてほしいと考えています。もちろん、他にも多くの要因があり、それらすべての重み付けはユースケースによって異なります。通常、ライトスレッドのビデオゲームは、いくつかの遅いコアによってバックアップされた 1 つの高速なコアから恩恵を受けます。通常、レンダリングコンピューターはできるだけ多くのコアを使用することでメリットが得られます。高速であるほど優れていますが、コアが多いほど優れています。モバイル環境ではパフォーマンスが重要ですが、特にピークパフォーマンスが必要ない場合は、電力効率が最も重要です。

これらすべてのシナリオで多くの要因がパフォーマンスに影響しますが、一定の要因の 1 つはクロックです。CPU では、クロック信号がいつ発生するかを決定します。クロックティックレートが速いということは、一定時間内により多くの操作が行われることを意味します。これは素晴らしいですね。できるだけ速くカチカチ音をたてたいだけですよね？そんなに早くない。まず、時計が刻むたびに電力のパルスが発生します。この力はどこかから来なければなりません。また、熱が発生するため、放散する必要があります。第二に、すべてが適切に同期されていることを確認することは実際には非常に困難であり、クロックの刻みが速くなるほど難しくなります。

電力および熱管理

電力の主な用途は 2 つあります。1 つ目は、電源が入っているシステムの定電流です。2 つ目は、システムの電源投入によるサージです。CPU の電力使用量の主な原因は、実際には、回路のオンとオフの絶え間ない切り替えによるものです。クロック信号がそのスイッチングを駆動します。また、それだけで、その電力使用量の重要な量に貢献します。

問題は、CPU 上の一部のハードウェアは、すべての CPU サイクルで必要とされないということです。ほとんどのクロックサイクルでは、たとえば個別のレジスタは必要ありません。そのため、クロック信号を送信してオンとオフをすばやく切り替えると、電力が無駄になり、ゲインが得られません。クロックゲーティングは、特定のクロックサイクルに不要な CPU の領域にクロック信号が到達するのを防ぐ技術です。

クロックゲーティング用のハードウェアは、クロックからゲートオフする可能性のある各機能へのクロック信号のパスに配置する必要があります。機能の複数のビットが常に一緒に排他的に必要とされる場合、それらを同じクロックゲートの後ろに配置することが可能です。ゲートの背後にあるクロック信号を無効にすることで、電力使用の主な原因を取り除くことができます。これにより、消費電力を大幅に削減できます。これは、バッテリ駆動のデバイスにとって特に重要です。

注: クロックゲート自体は電力を使用するため、使用するよりも多くの電力を節約できる場合にのみ使用することが重要です。

絶対速度制限

高速クロックの同期が難しくなることは前に述べました。残念ながら、これは基本的な物理学によって課せられた厳格な規則です。何でも移動できる最速の速度は、真空中の光の速度です。これは毎秒約 3 億メートル (または時速 6 億 7060 万マイル) で、非常に高速です。本当に速いもう 1 つのことは、最新の CPU のクロック速度です。5.7GHz または毎秒 57 億ティックは、175 ピコ秒または 0.175 ナノ秒ごとに 1 クロックティックに変換されます。まとめると、1 クロックティックの時間枠で光が移動できる距離を計算できます。55mmまたは2.1インチです。

現在、コンピューターは光子では動作しません。少なくとも、フォトニクスは進歩している分野ですが、まだ動作していません。コンピューターは、動きの遅い電子で動作します。また、電子が移動するための直線は 1 つではなく、邪魔になる多くの電子部品があります。これらはそれぞれ、信号の伝播を遅らせます。そのためには、クロック信号をさまざまなポイントで CPU に導入して、実際に全体で適切に同期させる必要があります。

前述のように、介在する電子機器はクロック信号の伝播を遅くします。これは、クロックゲートにも当てはまります。そのため、CPU の設計時には、これを考慮することが重要です。これがクロック信号の全体的な形状に与える影響を正確に理解することも重要です。立ち上がりエッジがわずかに遅れると、適切に整列された立ち下がりエッジと組み合わされる可能性があり、その結果、クロック周期が短くなり、機能が不完全になる可能性があります。

結論

クロックゲートは、プロセッサの設計に使用される回路コンポーネントです。同期クロック信号が 1 つまたは複数のコンポーネントに到達するのを防止または有効にします。これは本質的にスイッチとして機能します。主な目的は、何もしないはずの回路のオンとオフを切り替えるために電力を消費しないことで、電力を節約することです。また、そのエネルギーが熱に変換されるのを防ぎます。これにより、使用されているプロセッサの他のコンポーネントにより多くの熱と電力の予算が残されます。または、電源および冷却システムの全体的なシステム負荷を軽減します。システム設計では、コンポーネントの遅延を考慮に入れる必要があります。これは、スイッチであっても、厳密なタイミングのクロック信号に配置されます。ゲートが開いたときにクロック信号がすでにハイになっている場合は、ゲートを開いたときに短縮されたクロック信号が送信されないように注意する必要があります。