Co to jest bramkowanie zegara?

Szybkość zegara jest ważna dla wydajności procesora. Przynajmniej tak chciałby, żebyś myślał dział marketingu w firmach, które projektują i sprzedają procesory. Oczywiście istnieje wiele innych czynników, a waga wszystkich z nich zależy od przypadku użycia. Lekko wątkowana gra wideo zazwyczaj korzysta z jednego szybkiego rdzenia, wspieranego przez kilka wolniejszych rdzeni. Komputer renderujący zazwyczaj korzysta z jak największej liczby rdzeni, a chociaż szybszy oznacza lepszy, im więcej rdzeni, tym lepiej. W środowiskach mobilnych wydajność jest ważna, ale efektywność energetyczna jest najważniejsza, zwłaszcza gdy nie jest wymagana maksymalna wydajność.

We wszystkich tych scenariuszach na wydajność wpływa wiele czynników, ale jednym stałym czynnikiem jest zegar. W procesorze sygnał zegara określa, kiedy coś się dzieje. Szybsze taktowanie zegara oznacza więcej operacji w danym czasie. To brzmi świetnie, na pewno chcesz, żeby tykało tak szybko, jak to możliwe, prawda? Nie tak szybko. Po pierwsze, każde tyknięcie zegara powoduje impuls mocy. Ta moc musi skądś pochodzić. Powoduje to również wytwarzanie ciepła, które następnie musi zostać odprowadzone. Po drugie, naprawdę trudno jest upewnić się, że wszystko pozostaje odpowiednio zsynchronizowane, a im szybciej tyka zegar, tym trudniej.

Zarządzanie zasilaniem i temperaturą

Istnieją dwa główne zastosowania energii elektrycznej. Pierwszym z nich jest stały prąd systemu, który jest włączony. Drugi to skok z włączanego systemu. Głównym źródłem zużycia energii w procesorze jest w rzeczywistości ciągłe włączanie i wyłączanie obwodów. Sygnał zegara napędza to przełączanie. Sam w sobie również przyczynia się do nietrywialnej ilości tego zużycia energii.

Chodzi o to, że niektóre elementy sprzętowe procesora nie są potrzebne w każdym cyklu procesora. Na przykład w większości cykli zegara pojedynczy rejestr nie będzie potrzebny. W związku z tym wysyłanie sygnału zegarowego i szybkie włączanie i wyłączanie po prostu marnuje energię, bez żadnych korzyści. Bramkowanie zegara to technika zapobiegająca przedostawaniu się sygnału zegara do obszarów procesora, które nie są potrzebne w danym cyklu zegara.

Sprzęt do bramkowania zegara musi być umieszczony na ścieżce sygnału zegara do każdego elementu funkcjonalności, który chcesz odłączyć od zegara. Tam, gdzie zawsze i wyłącznie potrzebnych jest wiele bitów funkcjonalności razem, możliwe jest umieszczenie ich za tą samą bramką zegarową. Wyłączając sygnał zegara za bramą, można usunąć główne źródło zużycia energii. Może to pomóc w znacznym zmniejszeniu zużycia energii, co jest szczególnie ważne w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie.

Uwaga: sama bramka zegarowa zużywa energię, dlatego ważne jest, aby była używana tylko tam, gdzie zaoszczędzi więcej energii niż zużywa.

Absolutne ograniczenie prędkości

Wspomnieliśmy wcześniej, że coraz trudniej jest zsynchronizować szybkie zegary. Niestety, jest to twarda i szybka zasada narzucona przez podstawową fizykę. Największa prędkość, z jaką cokolwiek może się poruszać, to prędkość światła w próżni. To około trzysta milionów metrów na sekundę (lub 670 600 000 mil na godzinę), czyli naprawdę szybko. Kolejną rzeczą, która jest naprawdę szybka, jest szybkość zegara nowoczesnych procesorów. 5,7 GHz lub 5,7 miliarda taktów na sekundę przekłada się na jeden takt zegara co 175 pikosekund, czyli 0,175 nanosekundy. Po złożeniu można obliczyć, jak daleko światło może podróżować w ramach czasowych jednego tykania zegara. Ma 55 mm lub 2,1 cala.

Teraz komputery nie działają na fotonach, przynajmniej jeszcze nie działają, chociaż fotonika to postępująca dziedzina. Komputery działają na elektronach, które poruszają się wolniej. Nie ma również jednej linii prostej, po której poruszają się elektrony, a na drodze znajduje się wiele elementów elektronicznych. Każdy z nich opóźnia propagację sygnału. W tym celu sygnał zegara musi zostać wprowadzony do procesora w wielu różnych punktach, aby właściwie zsynchronizować całość.

Jak wspomniano, interweniująca elektronika spowalnia propagację sygnału zegara. Dotyczy to nawet bram zegarowych. W związku z tym podczas projektowania procesora ważne jest, aby wziąć to pod uwagę. Ważne jest również, aby dokładnie zrozumieć, jaki wpływ może to mieć na ogólny kształt sygnału zegara. Nieco opóźnione zbocze natarcia można połączyć z odpowiednio wyrównaną zboczem opadającym, co skutkuje krótszym okresem zegara i potencjalnie niekompletnymi funkcjami.

Wniosek

Bramka zegarowa to element obwodu używany w projektowaniu procesorów. Uniemożliwia lub umożliwia synchronizującemu sygnałowi zegarowemu dotarcie do jednego lub większej liczby dalszych elementów. Zasadniczo działa to jako przełącznik. Głównym celem jest oszczędzanie energii poprzez niewydawanie energii na włączanie i wyłączanie obwodów, które nie powinny nic robić. Zapobiega również zamianie tej energii w ciepło. Pozostawia to większy budżet na ciepło i moc dla innych używanych komponentów procesora. Alternatywnie zmniejsza ogólne obciążenie systemu zasilania i chłodzenia. Projekt systemu musi uwzględniać opóźnienie, jakie wszelkie komponenty, nawet przełącznik, nakładają na tak ściśle zsynchronizowany sygnał zegara. Należy również uważać, aby otwarcie bramy nie wysyłało skróconego sygnału zegarowego, jeśli sygnał zegarowy jest już wysoki w momencie otwierania bramy.