什麼是時鐘脈衝？

在計算機中，大多數組件都與時鐘同步。不過，並不是所有的東西都必須與同一個時鐘同步。例如，CPU 可以運行得非常快，高端型號接近每秒 60 億週期。大多數其他組件無法匹配這種令人難以置信的速度。時鐘準確指示組件應該在何時運行。當然，確切的功能取決於組件。但基本概念是相同的，與時鐘的滴答聲永久同步。

在計算機中，幾乎所有時鐘都用方波發送信號。時鐘脈衝是方波的“峰值”。有趣的是，沒有任何東西使用那個峰值作為任何事情的觸發器。即使是每秒滴答 60 億次的時鐘也會在波峰和波谷中花費足夠的時間，以至於確切的時間會有足夠的變化導致問題。相反，大多數設備在激活時專門在時鐘脈衝的上升沿運行。

RAM 是一個有趣的例外。您可能知道 RAM 世代目前被稱為“DDR X”。這個 DDR 術語很重要。它代表“雙倍數據速率”。標准設備僅在時鐘脈衝的上升沿運行，而 DDR RAM 在時鐘脈衝的上升沿和下降沿均運行。與使用單一數據速率的相同技術相比，它的帶寬翻了一番。由於帶寬是 RAM 性能的關鍵部分，因此這種 DDR 技術現在在 RAM 中得到了普遍應用。

時鐘脈衝如何工作？

時鐘發生器產生時鐘脈衝。這通常是一個精心塑造的石英晶體，電流通過它。它的內在特性之一是它會產生完全規則的電脈衝。雖然晶體可以調諧到一系列頻率，但通常只使用兩個，然後只有其中一個占主導地位。大多數時鐘的頻率為 100MHz 或每秒 1 億個週期。一些計算機具有以 125MHz 頻率運行的第二個時鐘。

您可能會注意到，這明顯低於現代 CPU 在最佳條件下可以獲得的 6GHz。CPU 和其他設備的頻率是通過倍頻器設置的，而不是製作一個時鐘來控制 CPU 速度然後將其鎖定到該精確頻率。乘數乘以每秒有多少個脈衝。這樣做的主要優點之一是可以調整乘數。這種調整可以即時進行，從而允許根據熱餘量、功率餘量和負載進行精細的性能控制。

使用時鐘脈衝的設計限制

與時鐘同步可顯著提高 RAM 性能並使大多數 PC 組件受益。不過，它確實有一些不尋常的限制。雖然它加快了 RAM，但有一種觀點認為它降低了 CPU 的速度。

CPU 時鐘速率必須限制在對 CPU 最慢功能的最壞情況下性能的保守估計。這樣一來，您可以保證所有事情都在一個時鐘週期內完成，並且不會讓某些事情溢出，從而創建意外的配置。這意味著 CPU 不受時鐘限制，能夠以它想要的速度完成操作，然後能夠立即轉移到下一個操作，理論上可以運行得更快。

問題在於邏輯。由於事情不一定按可預測的時間表完成，因此您必須添加大量額外的驗證電路。此外，由於這種架構概念不受青睞，因此不存在用於設計異步 CPU 的功能齊全的 CPU 設計軟件。這使得很難驗證該概念是否會提供整體性能提升。

電子很慢

雖然您可能認為向 CPU 提供時鐘信號相對簡單，但事實並非如此。現代 CPU 相當大且非常複雜；這意味著電信號從一側到另一側的傳播時間可能很長，至少與十億分之一秒相比是這樣。多處將時鐘信號引入CPU，保證整個CPU完美同步。

隨著 CPU 變得越來越大，功能密度越來越高，需要更多的電路來提供準確的時鐘。此外，隨著 CPU 的“節點”減少，細線的電阻增加。這意味著在現代 CPU 上計時所需的功率佔總功率消耗的合理比例。

作為功耗，直接影響熱量的產生，它對 CPU 性能有兩方面的影響，都是負面的。這是異步 CPU 的另一個論據。沒有時鐘，它們就沒有這種功率消耗和熱量產生，從而為實際性能留下更多的熱量和功率餘量，進一步幫助彌補必要的複雜性增加。

結論

時鐘脈衝是用於計算機同步的方波時鐘信號的峰值。大多數組件專門使用該脈衝的上升沿來運行。然而，DDR RAM 同時使用脈衝的上升沿和下降沿進行操作。時鐘發生器，例如石英壓電振盪器，產生脈衝。然後這些脈衝通常由乘法器修改以精確匹配所需的時鐘速度。