พัลส์นาฬิกาคืออะไร?

ในคอมพิวเตอร์ ส่วนประกอบส่วนใหญ่จะซิงโครไนซ์กับนาฬิกา แม้ว่าทุกอย่างไม่จำเป็นต้องซิงโครไนซ์กับนาฬิกาเดียวกัน ตัวอย่างเช่น CPU สามารถทำงานได้เร็วอย่างไม่น่าเชื่อ โดยรุ่นไฮเอนด์จะมีความเร็วเกือบถึง 6 พันล้านรอบต่อวินาที ส่วนประกอบอื่นๆ ส่วนใหญ่ไม่สามารถเทียบความเร็วที่เหลือเชื่อนี้ได้ นาฬิกาจะระบุเวลาที่ส่วนประกอบควรทำงาน แน่นอนว่าการทำงานที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับส่วนประกอบ แต่แนวคิดพื้นฐานเหมือนกันคือซิงโครไนซ์กับขีดของนาฬิกาอย่างถาวร

ในคอมพิวเตอร์ นาฬิกาเกือบทั้งหมดจะส่งสัญญาณเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม พัลส์นาฬิกาคือ "จุดสูงสุด" ของคลื่นสี่เหลี่ยม ที่น่าสนใจคือไม่มีสิ่งใดใช้จุดสูงสุดนั้นเป็นตัวกระตุ้นสำหรับสิ่งใด แม้แต่นาฬิกาที่เดิน 6 พันล้านครั้งต่อวินาทีก็ยังใช้เวลาเพียงพอในช่วงสูงสุดและต่ำสุด ซึ่งเวลาที่แน่นอนจะมีความผันแปรเพียงพอที่จะทำให้เกิดปัญหาได้ แต่อุปกรณ์ส่วนใหญ่จะทำงานเฉพาะบนขอบที่เพิ่มขึ้นของพัลส์นาฬิกาเมื่อเปิดใช้งาน

RAM เป็นข้อยกเว้นที่น่าสนใจ คุณอาจทราบว่าปัจจุบันรุ่นของ RAM เรียกว่า “DDR X” คำศัพท์ DDR นี้มีความสำคัญ ย่อมาจาก "Double Data Rate" แม้ว่าอุปกรณ์มาตรฐานจะทำงานที่ขอบด้านขึ้นของพัลส์นาฬิกาเท่านั้น แต่ DDR RAM จะทำงานทั้งด้านขอบที่เพิ่มขึ้นและลดลงของพัลส์นาฬิกา สิ่งนี้จะเพิ่มแบนด์วิดท์เป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเดียวกันโดยใช้ Single Data Rate เนื่องจากแบนด์วิธเป็นส่วนสำคัญของประสิทธิภาพของ RAM เทคโนโลยี DDR นี้จึงเป็นสากลใน RAM

สัญญาณนาฬิกาทำงานอย่างไร

เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกาสร้างพัลส์สัญญาณนาฬิกา โดยทั่วไปจะเป็นผลึกควอตซ์ที่มีรูปร่างอย่างระมัดระวังซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน คุณสมบัติที่แท้จริงอย่างหนึ่งของมันคือสร้างพัลส์ไฟฟ้าที่สม่ำเสมออย่างสมบูรณ์แบบ แม้ว่าคริสตัลจะสามารถปรับให้เข้ากับช่วงความถี่ได้ แต่โดยทั่วไปแล้ว จะใช้เพียงสองอันเท่านั้น และจากนั้นก็มีเพียงอันเดียวเท่านั้นที่เด่น นาฬิกาส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 100MHz หรือ 100 ล้านรอบต่อวินาที คอมพิวเตอร์บางเครื่องมีนาฬิกาที่สองที่ทำงานที่ความถี่ 125MHz

คุณอาจสังเกตเห็นว่าความเร็วนี้ต่ำกว่า 6GHz อย่างมากที่ CPU สมัยใหม่สามารถรับได้ในสภาวะที่เหมาะสม แทนที่จะสร้างหนึ่งสัญญาณนาฬิกาเพื่อควบคุมความเร็วของ CPU แล้วล็อกไว้ที่ความถี่ที่แน่นอน ความถี่ของ CPU และอุปกรณ์อื่นๆ จะถูกตั้งค่าผ่านตัวคูณ ตัวคูณคูณจำนวนพัลส์ต่อวินาที หนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญของสิ่งนี้คือสามารถปรับตัวคูณได้ การปรับนี้สามารถทำได้ในทันที ทำให้สามารถควบคุมประสิทธิภาพได้ดีตามเฮดรูมความร้อน เฮดรูมพลังงาน และโหลด

ข้อจำกัดในการออกแบบจากการทำงานกับพัลส์นาฬิกา

การซิงโครไนซ์กับนาฬิกาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ RAM อย่างมากและให้ประโยชน์กับส่วนประกอบพีซีส่วนใหญ่ แม้ว่าจะมีข้อจำกัดที่ผิดปกติอยู่บ้าง ในขณะที่มันเร่งความเร็ว RAM โรงเรียนแห่งความคิดแนะนำว่ามันทำให้ CPU ช้าลง

อัตราสัญญาณนาฬิกาของ CPU ต้องจำกัดอยู่ที่การประมาณแบบอนุรักษ์นิยมของประสิทธิภาพที่แย่ที่สุดของฟังก์ชันที่ช้าที่สุดของ CPU ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถรับประกันได้ว่าทุกอย่างจะเสร็จสิ้นภายในหนึ่งรอบสัญญาณนาฬิกา และคุณจะไม่ต้องทำงานผิดพลาดจนสร้างการกำหนดค่าที่ไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งหมายความว่า CPU ไม่ถูกผูกมัดด้วยสัญญาณนาฬิกา สามารถดำเนินการให้เสร็จสิ้นได้เร็วเท่าที่ต้องการและสามารถไปยังอันถัดไปได้ทันที ในทางทฤษฎีสามารถทำงานได้เร็วกว่ามาก

ปัญหานี้คือตรรกะ เนื่องจากสิ่งต่าง ๆ ไม่จำเป็นต้องเสร็จสิ้นตามกำหนดเวลาที่คาดเดาได้ คุณต้องเพิ่มวงจรการตรวจสอบเพิ่มเติมจำนวนมาก นอกจากนี้ เนื่องจากแนวคิดสถาปัตยกรรมนี้ไม่ได้รับความนิยม จึงไม่มีซอฟต์แวร์การออกแบบ CPU ที่มีคุณสมบัติครบถ้วนในการออกแบบ CPU แบบอะซิงโครนัส ทำให้ยากต่อการตรวจสอบว่าแนวคิดจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมได้หรือไม่

อิเล็กตรอนช้า

แม้ว่าคุณอาจคิดว่าการให้สัญญาณนาฬิกาไปยัง CPU นั้นค่อนข้างง่าย แต่ก็ไม่มากนัก ซีพียูสมัยใหม่มีขนาดค่อนข้างใหญ่และซับซ้อนมาก ซึ่งหมายความว่าเวลาการแพร่กระจายของสัญญาณไฟฟ้าจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งอาจมีนัยสำคัญ อย่างน้อยเมื่อเทียบกับหนึ่งในหกพันล้านของวินาที สัญญาณนาฬิกาถูกนำไปใช้กับ CPU ในหลายตำแหน่งเพื่อให้แน่ใจว่า CPU ทั้งหมดได้รับการซิงโครไนซ์อย่างสมบูรณ์

เนื่องจาก CPU มีขนาดใหญ่ขึ้นและความหนาแน่นของฟีเจอร์สูงขึ้น จึงจำเป็นต้องมีวงจรมากขึ้นเพื่อให้การตอกบัตรแม่นยำ นอกจากนี้ เนื่องจาก "โหนด" ของ CPU ลดลง ความต้านทานของสายไฟขนาดเล็กจึงเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่ากำลังไฟที่ต้องใช้ในการประมวลผลนาฬิกาบน CPU สมัยใหม่นั้นคิดเป็นสัดส่วนที่สมเหตุสมผลของการดึงพลังงานโดยรวม

เนื่องจากการดึงพลังงานส่งผลโดยตรงต่อการผลิตความร้อน จึงมีผลกระทบสองส่วนต่อประสิทธิภาพของ CPU ทั้งสองด้านเป็นลบ นี่เป็นข้อโต้แย้งเพิ่มเติมสำหรับซีพียูแบบอะซิงโครนัส ขาดนาฬิกา พวกเขาขาดการดึงพลังงานและการผลิตความร้อน ทำให้เหลือพื้นที่ระบายความร้อนและพลังงานมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพที่แท้จริง และยังช่วยชดเชยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นที่จำเป็นอีกด้วย

บทสรุป

พัลส์นาฬิกาคือจุดสูงสุดของสัญญาณนาฬิกาแบบคลื่นสี่เหลี่ยมที่ใช้สำหรับการซิงโครไนซ์คอมพิวเตอร์ ส่วนประกอบส่วนใหญ่ใช้ขอบที่เพิ่มขึ้นของพัลส์นั้นโดยเฉพาะเพื่อใช้งาน อย่างไรก็ตาม DDR RAM ใช้ทั้งขอบที่เพิ่มขึ้นและลดลงของพัลส์ในการทำงาน เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา เช่น ออสซิลเลเตอร์ไฟฟ้าเพียโซแบบควอตซ์ จะสร้างพัลส์ จากนั้นพัลส์เหล่านี้จะได้รับการแก้ไขโดยตัวคูณเพื่อให้ตรงกับความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ต้องการอย่างแม่นยำ