Ce este Clock Gating?

Viteza ceasului este importantă pentru performanța procesorului. Cel puțin, asta ar dori să gândiți departamentul de marketing din companiile care proiectează și vând procesoare. Desigur, există mulți alți factori și ponderea tuturor depinde de cazul dvs. de utilizare. Un joc video cu fir ușor va beneficia de obicei de un nucleu rapid de iluminare, susținut de câteva nuclee mai lente. Un computer de randare va beneficia de obicei de cât mai multe nuclee posibil și, în timp ce mai rapid este mai bine, mai multe nuclee sunt chiar mai bune. În mediile mobile, performanța este importantă, dar eficiența energetică este primordială, mai ales când nu este necesară performanța de vârf.

Mulți factori afectează performanța în toate aceste scenarii, dar un factor constant este ceasul. În CPU semnalul ceasului determină când se întâmplă lucrurile. O rată de trecere a ceasului mai rapidă înseamnă mai multe operațiuni într-un anumit timp. Sună grozav, cu siguranță vrei doar să bifeze cât mai repede posibil, nu? Nu asa de repede. În primul rând, fiecare ticăitură a ceasului provoacă un puls de putere. Această putere trebuie să vină de undeva. Are ca rezultat și producerea de căldură, care apoi trebuie disipată. În al doilea rând, este foarte greu să ne asigurăm că totul rămâne corect sincronizat și devine mai greu cu cât ceasul ticăie mai repede.

Managementul energiei și termice

Există două utilizări principale ale energiei electrice. Primul este curentul constant al unui sistem care este pornit. Al doilea este creșterea de la un sistem pornit. Principala sursă de utilizare a energiei într-un procesor se datorează, de fapt, pornirii și opririi constante a circuitelor. Semnalul ceasului conduce acea comutare. De asemenea, singur, contribuie cu o cantitate netrivială din acea utilizare a energiei.

Chestia este că unele componente hardware de pe un procesor nu sunt necesare în fiecare ciclu al procesorului. În majoritatea ciclurilor de ceas, un registru individual, de exemplu, nu va fi necesar. Ca atare, trimiterea unui semnal de ceas și determinarea acestuia să se pornească și să se oprească rapid, pur și simplu irosește energie, fără niciun câștig. Clock gating este tehnica de a împiedica semnalul de ceas să ajungă în zonele CPU care nu sunt necesare pentru acel ciclu de ceas anume.

Hardware-ul pentru activarea ceasului trebuie plasat în calea semnalului de ceas către fiecare piesă de funcționalitate pe care ați dori să o opriți de la ceas. Acolo unde mai multe biți de funcționalitate sunt întotdeauna și exclusiv necesari împreună, poate fi posibil să le plasați în spatele aceleiași porți de ceas. Prin dezactivarea semnalului de ceas din spatele porții, sursa principală de utilizare a energiei poate fi eliminată. Acest lucru poate ajuta la scăderea semnificativă a consumului de energie, ceea ce este deosebit de important pentru dispozitivele alimentate cu baterie.

Notă: Poarta ceasului în sine folosește energie, așa că este important să vă asigurați că este folosită numai acolo unde va economisi mai multă energie decât folosește.

Limita absolută de viteză

Am menționat anterior că devine mai greu să sincronizați ceasurile rapide. Din păcate, aceasta este o regulă strictă și rapidă impusă de fizica de bază. Cea mai mare viteză cu care orice poate călători este viteza luminii în vid. Adică aproximativ trei sute de milioane de metri pe secundă (sau 670.600.000 de mile pe oră), care este foarte rapid. Un alt lucru care este foarte rapid este viteza de ceas pe procesoarele moderne. 5,7 GHz sau 5,7 miliarde de tick-uri pe secundă se traduce într-un tic de ceas la fiecare 175 de picosecunde sau 0,175 nanosecunde. Când sunt puse împreună, puteți afla cât de departe poate călători lumina în intervalul de timp al unui singur tic de ceas. Are 55 mm sau 2,1 inchi.

Acum computerele nu funcționează pe fotoni, cel puțin nu funcționează încă, deși fotonica este un domeniu în progres. Calculatoarele rulează pe electroni care se mișcă mai încet. De asemenea, nu există o singură linie dreaptă pentru ca electronii să călătorească și există multe componente electronice care stau în cale. Fiecare dintre acestea întârzie propagarea semnalului. În acest scop, semnalul de ceas trebuie să fie introdus într-un procesor în multe puncte diferite pentru a fi de fapt sincronizat corect în întregul lucru.

După cum sa menționat, electronicele care intervin încetinesc propagarea semnalului de ceas. Acest lucru este valabil chiar și pentru porțile ceasului. Ca atare, în timpul proiectării CPU, este important să țineți cont de acest lucru. De asemenea, este important să înțelegem exact ce efect poate avea asupra formei generale a semnalului de ceas. O margine de avans ușor întârziată poate fi combinată cu o margine de coborâre aliniată corespunzător, rezultând o perioadă de ceas mai scurtă și funcții potențial incomplete.

Concluzie

O poartă de ceas este o componentă de circuit utilizată în proiectarea procesorului. Împiedică sau permite semnalului ceasului de sincronizare să ajungă la una sau mai multe componente suplimentare. Acesta acționează în esență ca un comutator. Scopul principal este de a economisi energie fără a cheltui puterea activând și dezactivat circuite care nu ar trebui să facă nimic. De asemenea, împiedică transformarea acelei energie în căldură. Acest lucru lasă mai mult buget termic și de putere pentru alte componente ale procesorului care sunt utilizate. Alternativ, reduce sarcina generală a sistemului de alimentare și de răcire. Proiectarea sistemului trebuie să țină seama de întârzierea pe care orice componente, chiar și un comutator o plasează pe un semnal de ceas atât de strâns. De asemenea, trebuie avut grijă să vă asigurați că deschiderea porții nu trimite un semnal de ceas scurtat dacă semnalul de ceas este deja ridicat când se deschide poarta.