Clock Gating คืออะไร?

ความเร็วสัญญาณนาฬิกามีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของ CPU อย่างน้อย นั่นคือสิ่งที่ฝ่ายการตลาดในบริษัทที่ออกแบบและจำหน่ายซีพียูต้องการให้คุณคิด แน่นอนว่ายังมีปัจจัยอื่นๆ อีกมาก และน้ำหนักของปัจจัยทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานของคุณ วิดีโอเกมที่มีเธรดเล็กน้อยมักจะได้ประโยชน์จากหนึ่งคอร์ที่รวดเร็วและสำรองข้อมูลด้วยคอร์ที่ช้ากว่าสองสามคอร์ โดยทั่วไปแล้วคอมพิวเตอร์เรนเดอร์จะได้รับประโยชน์จากจำนวนคอร์มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และในขณะที่เร็วกว่าจะดีกว่า คอร์จำนวนมากก็ยิ่งดีกว่า ในสภาพแวดล้อมแบบเคลื่อนที่ ประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญ แต่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไม่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุด

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในสถานการณ์เหล่านี้ทั้งหมด แต่ปัจจัยคงที่อย่างหนึ่งคือนาฬิกา ใน CPU สัญญาณนาฬิกาจะเป็นตัวกำหนดเมื่อสิ่งต่างๆ เกิดขึ้น อัตราติ๊กนาฬิกาที่เร็วขึ้นหมายถึงการทำงานที่มากขึ้นในเวลาที่กำหนด ฟังดูดี แน่นอนว่าคุณต้องการให้มันติ๊กเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ใช่ไหม ไม่เร็วนัก ประการแรก ทุก ๆ ขีดของนาฬิกาทำให้เกิดพลังงาน พลังนี้ต้องมาจากที่ไหนสักแห่ง นอกจากนี้ยังส่งผลให้เกิดความร้อนซึ่งจะต้องกระจายออกไป ประการที่สอง เป็นเรื่องยากมากที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าทุกอย่างยังคงซิงโครไนซ์อย่างถูกต้อง และยิ่งยากขึ้นเมื่อนาฬิกาเดินเร็วขึ้น

การจัดการพลังงานและความร้อน

การใช้พลังงานไฟฟ้ามีสองประเภทหลัก ประการแรกคือกระแสคงที่ของระบบที่เปิดอยู่ ประการที่สองคือไฟกระชากจากระบบที่เปิดอยู่ แหล่งที่มาหลักของการใช้พลังงานใน CPU เกิดจากการเปิดและปิดวงจรอย่างต่อเนื่อง สัญญาณนาฬิกาขับเคลื่อนการสลับนั้น นอกจากนี้ เพียงอย่างเดียวยังก่อให้เกิดการใช้พลังงานในปริมาณที่ไม่สำคัญอีกด้วย

ประเด็นก็คือ ฮาร์ดแวร์บางชิ้นบน CPU ไม่จำเป็นในทุกวงจรของ CPU ในรอบสัญญาณนาฬิกาส่วนใหญ่ ไม่จำเป็นต้องใช้รีจิสเตอร์ส่วนบุคคล ด้วยเหตุนี้ การส่งสัญญาณนาฬิกาและทำให้เครื่องเปิดและปิดอย่างรวดเร็วเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานโดยเปล่าประโยชน์ การเกทสัญญาณนาฬิกาเป็นเทคนิคในการป้องกันไม่ให้สัญญาณนาฬิกาเข้าถึงพื้นที่ของ CPU ที่ไม่จำเป็นสำหรับรอบสัญญาณนาฬิกานั้นๆ

ต้องวางฮาร์ดแวร์สำหรับการเกทนาฬิกาในเส้นทางของสัญญาณนาฬิกาไปยังฟังก์ชันการทำงานแต่ละชิ้นที่คุณอาจต้องการเกตออกจากนาฬิกา ในกรณีที่จำเป็นต้องใช้บิตของฟังก์ชันหลายบิตร่วมกันเสมอ ก็สามารถวางบิตเหล่านั้นไว้ด้านหลังคล็อกเกทเดียวกันได้ โดยการปิดสัญญาณนาฬิกาหลังประตู แหล่งพลังงานหลักจะถูกลบออก สิ่งนี้สามารถช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่

หมายเหตุ: ตัวเกทนาฬิกาใช้พลังงานเอง ดังนั้นสิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าใช้เฉพาะในที่ที่จะประหยัดพลังงานได้มากกว่าที่ใช้

จำกัด ความเร็วที่แน่นอน

เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าการซิงโครไนซ์นาฬิกาเร็วทำได้ยากขึ้น น่าเสียดายที่เป็นกฎที่ยากและรวดเร็วที่กำหนดโดยฟิสิกส์พื้นฐาน ความเร็วที่เร็วที่สุดที่สิ่งใดสามารถเดินทางได้คือความเร็วแสงในสุญญากาศ นั่นคือประมาณสามร้อยล้านเมตรต่อวินาที (หรือ 670,600,000 ไมล์ต่อชั่วโมง) ซึ่งเร็วมาก อีกสิ่งหนึ่งที่เร็วมากคือความเร็วสัญญาณนาฬิกาของซีพียูสมัยใหม่ 5.7GHz หรือ 5.7 พันล้าน ticks ต่อวินาทีแปลเป็นหนึ่ง clock tick ทุก ๆ 175 picoseconds หรือ 0.175 nanoseconds เมื่อประกอบเข้าด้วยกัน คุณจะสามารถคำนวณได้ว่าแสงสามารถเดินทางได้ไกลเพียงใดในช่วงเวลาหนึ่งขีดของนาฬิกา 55 มม. หรือ 2.1 นิ้ว

ตอนนี้คอมพิวเตอร์ไม่ได้ทำงานด้วยโฟตอน อย่างน้อยก็ยังไม่เป็นเช่นนั้น แม้ว่าโฟตอนจะเป็นสาขาที่ก้าวหน้า คอมพิวเตอร์ทำงานบนอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่ช้าลง นอกจากนี้ยังไม่มีเส้นตรงสำหรับอิเล็กตรอนในการเดินทางและมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่ขวางทาง สิ่งเหล่านี้ทำให้การแพร่กระจายสัญญาณล่าช้า ด้วยเหตุนี้ สัญญาณนาฬิกาจำเป็นต้องได้รับการแนะนำให้รู้จักกับ CPU ที่จุดต่างๆ หลายๆ จุด เพื่อให้สามารถซิงโครไนซ์ข้อมูลทั้งหมดได้อย่างถูกต้อง

ดังที่ได้กล่าวไว้ การแทรกแซงของอิเล็กทรอนิกส์ทำให้การแพร่กระจายสัญญาณนาฬิกาช้าลง สิ่งนี้เป็นจริงแม้กระทั่งกับประตูนาฬิกา ด้วยเหตุนี้ ในระหว่างการออกแบบ CPU สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจอย่างแน่ชัดว่าสิ่งนี้มีผลอย่างไรต่อรูปร่างโดยรวมของสัญญาณนาฬิกา ขอบนำที่ล่าช้าเล็กน้อยสามารถใช้ร่วมกับขอบตกที่จัดตำแหน่งอย่างเหมาะสม ส่งผลให้รอบระยะเวลาสัญญาณนาฬิกาสั้นลงและฟังก์ชั่นอาจไม่สมบูรณ์

บทสรุป

Clock Gate เป็นส่วนประกอบวงจรที่ใช้ในการออกแบบโปรเซสเซอร์ จะป้องกันหรือเปิดใช้สัญญาณนาฬิกาที่ซิงโครไนซ์ไม่ให้ไปถึงส่วนประกอบเพิ่มเติมหนึ่งชิ้นหรือมากกว่านั้น สิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์เป็นหลัก จุดประสงค์หลักคือการประหยัดพลังงานโดยไม่ใช้ไฟฟ้าสลับวงจรเปิดปิดที่ไม่ควรทำอะไร นอกจากนี้ยังป้องกันไม่ให้พลังงานนั้นถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน ซึ่งจะทำให้งบประมาณด้านความร้อนและพลังงานเพิ่มขึ้นสำหรับส่วนประกอบอื่นๆ ของโปรเซสเซอร์ที่กำลังใช้งานอยู่ อีกทางหนึ่งคือช่วยลดภาระของระบบโดยรวมในระบบพลังงานและระบบทำความเย็น การออกแบบระบบจำเป็นต้องพิจารณาถึงความล่าช้าที่ส่วนประกอบใดๆ แม้กระทั่งสวิตช์จะวางบนสัญญาณนาฬิกาที่มีเวลาจำกัด ต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าการเปิดประตูไม่ได้���่งสัญญาณนาฬิกาที่สั้นลงหากสัญญาณนาฬิกาสูงอยู่แล้วเมื่อประตูเปิด