Wat is Clock Gating?

Kloksnelheid is allemaal belangrijk voor CPU-prestaties. Tenminste, dat wil de marketingafdeling van bedrijven die CPU's ontwerpen en verkopen, je laten denken. Natuurlijk zijn er veel andere factoren en de weging van al deze factoren hangt af van uw gebruiksscenario. Een videogame met een lichte schroefdraad heeft doorgaans baat bij één razendsnelle kern, ondersteund door een paar langzamere kernen. Een renderingcomputer heeft meestal baat bij zoveel mogelijk kernen, en hoewel sneller beter is, zijn meer kernen nog beter. In mobiele omgevingen zijn prestaties belangrijk, maar energiezuinigheid is van het grootste belang, vooral wanneer topprestaties niet vereist zijn.

Veel factoren zijn van invloed op de prestaties in al deze scenario's, maar een constante factor is de klok. In de CPU bepaalt het kloksignaal wanneer er iets gebeurt. Een snellere kloktiksnelheid betekent meer bewerkingen in een bepaalde tijd. Dit klinkt geweldig, je wilt toch gewoon dat het zo snel mogelijk tikt, toch? Niet zo snel. Ten eerste veroorzaakt elke tik van de klok een krachtpuls. Deze kracht moet ergens vandaan komen. Het resulteert ook in de productie van warmte, die vervolgens moet worden afgevoerd. Ten tweede is het eigenlijk heel moeilijk om ervoor te zorgen dat alles goed gesynchroniseerd blijft, en het wordt moeilijker naarmate de klok sneller tikt.

Stroom- en thermisch beheer

Er zijn twee belangrijke toepassingen van elektrische energie. De eerste is de constante stroom van een systeem dat is ingeschakeld. De tweede is de piek van een systeem dat wordt ingeschakeld. De belangrijkste bron van stroomverbruik in een CPU is eigenlijk te wijten aan het constant in- en uitschakelen van circuits. Het kloksignaal stuurt dat schakelen aan. Het draagt ​​alleen ook een niet-triviale hoeveelheid van dat stroomverbruik bij.

Het punt is dat sommige stukjes hardware op een CPU niet in elke CPU-cyclus nodig zijn. In de meeste klokcycli is bijvoorbeeld een individueel register niet nodig. Het verzenden van een kloksignaal en ervoor zorgen dat het snel aan en uit gaat, verspilt dus gewoon energie, zonder winst. Clock gating is de techniek om te voorkomen dat het kloksignaal gebieden van de CPU bereikt die niet nodig zijn voor die specifieke klokcyclus.

De hardware voor klokpoorten moet in het pad van het kloksignaal naar elk stuk functionaliteit worden geplaatst dat u mogelijk van de klok wilt afzetten. Waar meerdere stukjes functionaliteit altijd en uitsluitend samen nodig zijn, kan het mogelijk zijn om ze achter dezelfde klokpoort te plaatsen. Door het kloksignaal achter de poort uit te schakelen, kan de belangrijkste bron van stroomverbruik worden verwijderd. Dit kan helpen om het stroomverbruik aanzienlijk te verminderen, wat vooral belangrijk is voor apparaten die op batterijen werken.

Opmerking: de klokpoort zelf gebruikt stroom, dus het is belangrijk om ervoor te zorgen dat deze alleen wordt gebruikt waar hij meer stroom bespaart dan hij gebruikt.

De absolute snelheidslimiet

We zeiden al eerder dat het moeilijker wordt om snelle klokken te synchroniseren. Helaas is dat een vaste regel die wordt opgelegd door de basisfysica. De hoogste snelheid waarmee iets kan reizen, is de snelheid van het licht in een vacuüm. Dat is ongeveer driehonderd miljoen meter per seconde (of 670.600.000 mijl per uur), dat is echt snel. Een ander ding dat erg snel is, is de kloksnelheid van moderne CPU's. 5,7 GHz of 5,7 miljard tikken per seconde vertaalt zich naar één kloktik elke 175 picoseconden, of 0,175 nanoseconden. Als je ze samenvoegt, kun je berekenen hoe ver licht kan reizen in het tijdsbestek van een enkele kloktik. Het is 55 mm of 2,1 inch.

Nu werken computers niet op fotonen, althans dat doen ze nog niet, hoewel fotonica een opkomend veld is. Computers draaien op elektronen die langzamer bewegen. Er is ook geen enkele rechte lijn voor elektronen om te reizen en er zijn veel elektronische componenten die in de weg zitten. Elk van deze vertraagt ​​de signaalvoortplanting. Daartoe moet het kloksignaal op veel verschillende punten in een CPU worden geïntroduceerd om daadwerkelijk over het geheel correct te worden gesynchroniseerd.

Zoals gezegd, vertragen tussenkomende elektronica de voortplanting van het kloksignaal. Dit geldt zelfs voor klokpoorten. Daarom is het belangrijk om hier tijdens het ontwerp van de CPU rekening mee te houden. Het is ook belangrijk om precies te begrijpen welk effect dit kan hebben op de algehele vorm van het kloksignaal. Een enigszins vertraagde voorflank kan worden gecombineerd met een correct uitgelijnde dalende flank, wat resulteert in een kortere klokperiode en mogelijk onvolledige functies.

Conclusie

Een Clock Gate is een circuitcomponent die wordt gebruikt bij het ontwerpen van processors. Het voorkomt of maakt het mogelijk dat het synchroniserende kloksignaal een of meer verdere componenten bereikt. Dit werkt in wezen als een schakelaar. Het belangrijkste doel is om energie te besparen door geen stroom te besteden aan het in- en uitschakelen van circuits die niets zouden moeten doen. Het voorkomt ook dat die energie wordt omgezet in warmte. Hierdoor blijft er meer thermisch en energiebudget over voor andere componenten van de processor die worden gebruikt. Als alternatief vermindert het de algehele systeembelasting van het stroom- en koelsysteem. Systeemontwerp moet rekening houden met de vertraging die componenten, zelfs een schakelaar, op zo'n strak getimed kloksignaal veroorzaken. Er moet ook voor worden gezorgd dat het openen van de poort geen verkort kloksignaal verzendt als het kloksignaal al hoog is als de poort opent.