O que é Gatilho de Relógio?

A velocidade do clock é muito importante para o desempenho da CPU. Pelo menos é isso que o departamento de marketing das empresas que projetam e vendem CPUs gostaria que você pensasse. Claro, existem muitos outros fatores e a ponderação de todos eles depende do seu caso de uso. Um videogame levemente encadeado normalmente se beneficiará de um núcleo rápido de iluminação, apoiado por alguns núcleos mais lentos. Um computador de renderização normalmente se beneficiará do maior número possível de núcleos e, embora mais rápido seja melhor, mais núcleos são ainda melhores. Em ambientes móveis, o desempenho é importante, mas a eficiência de energia é fundamental, especialmente quando o desempenho máximo não é necessário.

Muitos fatores afetam o desempenho em todos esses cenários, mas um fator constante é o relógio. Na CPU, o sinal do clock determina quando as coisas acontecem. Uma taxa de relógio mais rápida significa mais operações em um determinado momento. Isso parece ótimo, certamente você só quer que ele funcione o mais rápido possível, certo? Não tão rápido. Em primeiro lugar, cada tique-taque do relógio causa um pulso de energia. Esse poder tem que vir de algum lugar. Também resulta na produção de calor, que então deve ser dissipado. Em segundo lugar, é realmente muito difícil garantir que tudo permaneça devidamente sincronizado e fica mais difícil quanto mais rápido o relógio avança.

Gerenciamento de energia e térmico

Existem dois usos principais da energia elétrica. A primeira é a corrente constante de um sistema que está ligado. O segundo é o surto de um sistema sendo ligado. A principal fonte de uso de energia em uma CPU é, na verdade, devido à constante ativação e desativação de circuitos. O sinal do clock comanda essa comutação. Também, sozinho, contribui com uma quantidade não trivial desse uso de energia.

O problema é que algumas peças de hardware em uma CPU não são necessárias em todos os ciclos da CPU. Na maioria dos ciclos de clock, um registrador individual, por exemplo, não será necessário. Como tal, enviar um sinal de clock e fazer com que ele ligue e desligue rapidamente simplesmente desperdiça energia, sem ganho. Gating de clock é a técnica de impedir que o sinal de clock alcance áreas da CPU que não são necessárias para aquele ciclo de clock em particular.

O hardware para o gate do clock deve ser colocado no caminho do sinal do clock para cada parte da funcionalidade que você deseja bloquear do clock. Onde vários bits de funcionalidade são sempre e exclusivamente necessários juntos, pode ser possível colocá-los atrás do mesmo portão de relógio. Desativando o sinal do relógio atrás do portão, a principal fonte de uso de energia pode ser removida. Isso pode ajudar a diminuir significativamente o consumo de energia, o que é especialmente importante para dispositivos alimentados por bateria.

Nota: O próprio portão do relógio consome energia, por isso é importante garantir que ele seja usado apenas onde economizará mais energia do que usa.

O limite absoluto de velocidade

Mencionamos antes que fica mais difícil sincronizar relógios rápidos. Infelizmente, essa é uma regra rígida e rápida imposta pela física básica. A velocidade mais rápida em que qualquer coisa pode viajar é a velocidade da luz no vácuo. Isso é aproximadamente trezentos milhões de metros por segundo (ou 670.600.000 milhas por hora), o que é muito rápido. Outra coisa que é muito rápida é a velocidade do clock nas CPUs modernas. 5,7 GHz ou 5,7 bilhões de tiques por segundo se traduzem em um tique do relógio a cada 175 picossegundos, ou 0,175 nanossegundos. Quando colocados juntos, você pode calcular a distância que a luz pode percorrer no intervalo de tempo de um único tique-taque do relógio. É 55 mm ou 2,1 polegadas.

Agora, os computadores não funcionam com fótons, pelo menos ainda não, embora a fotônica seja um campo em desenvolvimento. Os computadores funcionam com elétrons que se movem mais lentamente. Também não há uma única linha reta para os elétrons viajarem e há muitos componentes eletrônicos que estão no caminho. Cada um deles atrasa a propagação do sinal. Para esse fim, o sinal de clock precisa ser introduzido em uma CPU em muitos pontos diferentes para realmente ser sincronizado adequadamente em todo o processo.

Como mencionado, os eletrônicos intervenientes retardam a propagação do sinal de clock. Isso é verdade até mesmo para portas de relógio. Assim, durante o projeto da CPU, é importante levar isso em consideração. Também é importante entender exatamente que efeito isso pode ter na forma geral do sinal de clock. Uma borda de ataque levemente atrasada pode ser combinada com uma borda de descida alinhada adequadamente, resultando em um período de clock mais curto e funções potencialmente incompletas.

Conclusão

Um Clock Gate é um componente de circuito usado no projeto do processador. Ele impede ou permite que o sinal de relógio de sincronização alcance um ou mais componentes adicionais. Isso basicamente funciona como um interruptor. O objetivo principal é economizar energia, não gastando energia ligando e desligando circuitos que não deveriam fazer nada. Também evita que essa energia seja convertida em calor. Isso deixa mais orçamento térmico e de energia para outros componentes do processador que estão sendo usados. Como alternativa, reduz a carga geral do sistema no sistema de alimentação e resfriamento. O design do sistema precisa levar em conta o atraso que qualquer componente, até mesmo um switch, coloca em um sinal de relógio tão sincronizado. Também deve-se tomar cuidado para garantir que a abertura do portão não envie um sinal de relógio encurtado se o sinal de relógio já estiver alto quando o portão abrir.