Wat is een klokpuls?

In een computer zijn de meeste componenten gesynchroniseerd met een klok. Niet alles is echter noodzakelijkerwijs gesynchroniseerd met dezelfde klok. De CPU kan bijvoorbeeld ongelooflijk snel werken, met high-end modellen die bijna 6 miljard cycli per seconde bereiken. De meeste andere componenten kunnen deze ongelooflijke snelheid niet evenaren. De klok geeft precies aan wanneer een component moet werken. De exacte functionaliteit is natuurlijk afhankelijk van het onderdeel. Maar het basisconcept is hetzelfde, permanent gesynchroniseerd met het tikken van de klok.

In een computer worden bijna alle klokken gesignaleerd met een blokgolf. Een klokpuls is de "piek" van de blokgolf. Interessant genoeg gebruikt niets die piek als trigger voor wat dan ook. Zelfs een klok die 6 miljard keer per seconde tikt, brengt genoeg tijd door in de piek en in het dal zodat de exacte timing voldoende variatie zou hebben om problemen te veroorzaken. In plaats daarvan werken de meeste apparaten specifiek op de stijgende flank van de klokpuls wanneer deze wordt geactiveerd.

RAM is een interessante uitzondering. U weet misschien dat RAM-generaties momenteel 'DDR X' worden genoemd. Deze DDR-term is veelbetekenend. Het staat voor "Double Data Rate." Terwijl standaardapparaten alleen werken op de stijgende flank van de klokpuls, werkt DDR RAM zowel op de stijgende als dalende flank van de klokpuls. Dit verdubbelt de bandbreedte ten opzichte van dezelfde technologie met behulp van Single Data Rate. Omdat bandbreedte een cruciaal onderdeel is van RAM-prestaties, is deze DDR-technologie nu universeel in RAM.

Hoe werkt de klokpuls?

Een klokgenerator genereert de klokpuls. Dit is typisch een zorgvuldig gevormd kwartskristal waar een elektrische stroom overheen gaat. Een van de intrinsieke eigenschappen ervan is dat het een perfect regelmatige stroomstoot opwekt. Hoewel de kristallen kunnen worden afgestemd op een reeks frequenties, worden er doorgaans slechts twee gebruikt, en dan is er slechts één dominant. De meeste klokken tikken op 100 MHz of 100 miljoen cycli per seconde. Sommige computers hebben een tweede klok die werkt op een frequentie van 125 MHz.

U merkt misschien dat dit opmerkelijk lager is dan de 6 GHz die onder optimale omstandigheden kan worden verkregen door moderne CPU's. In plaats van één klok te maken om de CPU-snelheid te regelen en deze vervolgens op die exacte frequentie te vergrendelen, wordt de frequentie van een CPU en andere apparaten ingesteld via een vermenigvuldiger. De vermenigvuldiger vermenigvuldigt hoeveel pulsen er per seconde zijn. Een van de belangrijkste voordelen hiervan is dat de vermenigvuldiger kan worden aangepast. Deze aanpassing kan on-the-fly gebeuren, waardoor nauwkeurige prestatiecontrole mogelijk is op basis van thermische hoofdruimte, power headroom en belasting.

Ontwerpbeperkingen van het werken met klokpulsen

Synchronisatie met klokken verhoogt de RAM-prestaties aanzienlijk en biedt voordelen voor de meeste pc-componenten. Het heeft echter enkele ongebruikelijke beperkingen. Terwijl het RAM versnelde, suggereert een denkrichting dat het CPU's vertraagde.

Een CPU-kloksnelheid moet worden beperkt tot een conservatieve schatting van de slechtste prestaties van de langzaamste functie van een CPU. Op deze manier kunt u garanderen dat alles in één klokcyclus wordt voltooid en dat sommige dingen niet overlopen, waardoor onbedoelde configuraties ontstaan. Dit betekent dat een CPU die niet gebonden is aan een klok, bewerkingen zo snel kan voltooien als hij wil en vervolgens onmiddellijk naar de volgende kan gaan, in theorie veel sneller zou kunnen werken.

Het probleem hiermee is de logica. Aangezien dingen niet noodzakelijkerwijs volgens een voorspelbaar schema worden voltooid, moet u veel extra verificatiecircuits toevoegen. Bovendien, aangezien dit architectuurconcept ongunstig is, bestaat er geen volledig uitgeruste CPU-ontwerpsoftware om asynchrone CPU's te ontwerpen. Dit maakt het moeilijk om te verifiëren of het concept een algehele prestatieverbetering zou opleveren.

Elektronen zijn traag

Hoewel je misschien denkt dat het relatief eenvoudig is om een ​​kloksignaal naar een CPU te sturen, is dat helemaal niet het geval. Moderne CPU's zijn vrij groot en zeer ingewikkeld; dit betekent dat de voortplantingstijd van een elektrisch signaal van de ene naar de andere kant aanzienlijk kan zijn, tenminste vergeleken met een zes miljardste van een seconde. Het kloksignaal wordt op veel plaatsen naar de CPU gestuurd om ervoor te zorgen dat de hele CPU perfect gesynchroniseerd is.

Naarmate CPU's groter worden en de dichtheid van functies hoger, zijn er meer schakelingen nodig om nauwkeurige klokken te bieden. Bovendien, naarmate de "Node" van CPU's is afgenomen, is de weerstand op de kleinere draden toegenomen. Dit betekent dat het vermogen dat nodig is om de klok te tikken op moderne CPU's een redelijk deel uitmaakt van het totale stroomverbruik.

Aangezien het stroomverbruik rechtstreeks van invloed is op de warmteproductie, heeft het een tweedelige invloed op de CPU-prestaties, beide negatief. Dit is een ander argument voor asynchrone CPU's. Omdat ze geen klok hebben, missen ze dit stroomverbruik en deze warmteproductie, waardoor er meer thermische en vermogensruimte overblijft voor daadwerkelijke prestaties, wat verder helpt om de noodzakelijke toename in complexiteit goed te maken.

Conclusie

Een klokpuls is de piek van een blokgolfkloksignaal dat wordt gebruikt voor computersynchronisatie. De meeste componenten gebruiken specifiek de stijgende flank van die puls om te werken. DDR RAM gebruikt echter zowel de stijgende als de dalende flank van de puls om te werken. Een klokgenerator, zoals een kwarts piëzo-elektrische oscillator, genereert de puls. Deze pulsen worden vervolgens typisch gewijzigd door een vermenigvuldiger om precies overeen te komen met de gewenste kloksnelheid.