O que é um pulso de relógio?

Em um computador, a maioria dos componentes é sincronizada com um relógio. Porém, nem tudo está necessariamente sincronizado com o mesmo relógio. A CPU, por exemplo, pode rodar incrivelmente rápido, com modelos de ponta chegando perto de atingir 6 bilhões de ciclos por segundo. A maioria dos outros componentes não consegue igualar essa incrível velocidade. O relógio indica exatamente quando um componente deve operar. A funcionalidade exata, é claro, depende do componente. Mas o conceito básico é o mesmo, permanentemente sincronizado com o tique-taque do relógio.

Em um computador, quase todos os relógios são sinalizados com uma onda quadrada. Um pulso de clock é o “pico” da onda quadrada. Curiosamente, nada usa esse pico como gatilho para nada. Mesmo um relógio que marca 6 bilhões de vezes por segundo gasta tempo suficiente no pico e no vale para que o tempo exato tenha variação suficiente para causar problemas. Em vez disso, a maioria dos dispositivos opera especificamente na borda ascendente do pulso do relógio conforme ele é ativado.

RAM é uma exceção interessante. Você deve saber que as gerações de RAM são atualmente chamadas de “DDR X”. Este termo DDR é significativo. Significa “Double Data Rate”. Enquanto os dispositivos padrão operam apenas na borda ascendente do pulso do clock, a RAM DDR opera na borda ascendente e descendente do pulso do clock. Isso dobra sua largura de banda na mesma tecnologia usando Single Data Rate. Como a largura de banda é uma parte crítica do desempenho da RAM, essa tecnologia DDR agora é universal na RAM.

Como funciona o pulso do relógio?

Um gerador de clock gera o pulso de clock. Este é tipicamente um cristal de quartzo cuidadosamente moldado com uma corrente elétrica passada sobre ele. Uma de suas propriedades intrínsecas é gerar um pulso de eletricidade perfeitamente regular. Embora os cristais possam ser sintonizados em uma gama de frequências, normalmente, apenas dois são usados ​​e, então, apenas um deles é dominante. A maioria dos relógios marca 100MHz ou 100 milhões de ciclos por segundo. Alguns computadores apresentam um segundo relógio que opera a uma frequência de 125MHz.

Você pode notar que isso é notavelmente menor do que os 6 GHz que podem ser obtidos, em condições ideais, por CPUs modernas. Em vez de criar um clock para controlar a velocidade da CPU e, em seguida, trancá-la nessa frequência exata, a frequência de uma CPU e de outros dispositivos é definida por meio de um multiplicador. O multiplicador multiplica quantos pulsos existem por segundo. Uma das principais vantagens disso é que o multiplicador pode ser ajustado. Esse ajuste pode acontecer em tempo real, permitindo um controle preciso do desempenho com base no headroom térmico, no power head e na carga.

Limitações de design ao trabalhar com pulsos de relógio

A sincronização com os relógios aumenta significativamente o desempenho da RAM e beneficia a maioria dos componentes do PC. Ele tem algumas limitações incomuns, no entanto. Enquanto acelerou a RAM, uma escola de pensamento sugere que desacelerou as CPUs.

Uma taxa de clock da CPU deve ser limitada a uma estimativa conservadora do desempenho de pior caso da função mais lenta de uma CPU. Dessa forma, você pode garantir que tudo seja concluído em um ciclo de clock e não haja algumas coisas vazando, criando configurações não intencionais. Isso significa que uma CPU não vinculada a um clock, capaz de concluir as operações tão rápido quanto deseja e, em seguida, capaz de passar para a próxima imediatamente, teoricamente poderia operar muito mais rápido.

O problema com isso é a lógica. Como as coisas não são necessariamente concluídas em um cronograma previsível, você deve adicionar muitos circuitos de verificação extras. Além disso, como esse conceito de arquitetura é desfavorável, não existe nenhum software de design de CPU completo para projetar CPUs assíncronas. Isso torna difícil verificar se o conceito forneceria um aumento geral no desempenho.

Os elétrons são lentos

Embora você possa pensar que fornecer um sinal de clock para uma CPU é relativamente simples, na verdade não é. As CPUs modernas são bastante grandes e profundamente intrincadas; isso significa que o tempo de propagação de um sinal elétrico de um lado para o outro pode ser significativo, pelo menos em comparação com um seis bilionésimos de segundo. O sinal do clock é introduzido na CPU em muitos lugares para garantir que toda a CPU esteja perfeitamente sincronizada.

À medida que as CPUs ficam maiores e a densidade de recursos aumenta, mais circuitos são necessários para fornecer clocks precisos. Além disso, à medida que o “nó” das CPUs diminuiu, a resistência nos fios menores aumentou. Isso significa que a energia necessária para marcar o relógio em CPUs modernas constitui uma proporção razoável do consumo geral de energia.

Como o consumo de energia afeta diretamente a produção de calor, ele tem um impacto de duas partes no desempenho da CPU, ambos negativos. Este é mais um argumento para CPUs assíncronas. Sem um relógio, eles não têm esse consumo de energia e produção de calor, deixando mais espaço térmico e de energia para o desempenho real, ajudando ainda mais a compensar o aumento necessário na complexidade.

Conclusão

Um pulso de clock é o pico de um sinal de clock de onda quadrada usado para sincronização de computador. A maioria dos componentes usa especificamente a borda ascendente desse pulso para operar. A RAM DDR, no entanto, usa tanto a borda ascendente quanto a descendente do pulso para operar. Um gerador de relógio, como um oscilador piezoelétrico de quartzo, gera o pulso. Esses pulsos são tipicamente modificados por um multiplicador para corresponder precisamente à velocidade de clock desejada.