什麼是時鐘門控？

時鐘速度對 CPU 性能非常重要。至少，設計和銷售 CPU 的公司的營銷部門希望您這樣想。當然，還有許多其他因素，所有這些因素的權重取決於您的用例。輕線程視頻遊戲通常會受益於一個閃電般快速的內核，並由幾個較慢的內核提供支持。渲染計算機通常會受益於盡可能多的內核，雖然速度越快越好，但內核越多越好。在移動環境中，性能很重要，但能效才是最重要的，尤其是在不需要峰值性能時。

許多因素會影響所有這些場景中的性能，但一個不變的因素是時鐘。在 CPU 中，時鐘信號決定事情何時發生。更快的時鐘節拍率意味著在給定時間內有更多的操作。這聽起來不錯，當然你只是希望它盡可能快地滴答作響，對吧？沒那麼快。首先，時鐘的每一個滴答聲都會產生一個能量脈衝。這種力量必須來自某個地方。它還會導致產生熱量，然後必須將其散發出去。其次，實際上很難確保一切都保持正確同步，而且時鐘滴答聲越快就越難。

電源和熱管理

電力有兩個主要用途。第一個是系統通電時的恆定電流。第二個是系統開啟時的電湧。CPU 中耗電量的主要來源實際上是電路的不斷開關。時鐘信號驅動該切換。它還單獨貢獻了不小的電量使用量。

問題是，並非每個 CPU 週期都需要 CPU 上的某些硬件。在大多數時鐘週期中，不需要單獨的寄存器。因此，向它發送時鐘信號並使其快速打開和關閉只會浪費功率，沒有任何收益。時鐘門控是防止時鐘信號到達特定時鐘週期不需要的 CPU 區域的技術。

用於時鐘門控的硬件必須放置在時鐘信號的路徑中，以連接到您可能希望從時鐘中關閉的每項功能。如果總是同時需要多個位的功能，則可以將它們放在同一個時鐘門之後。通過禁用門後的時鐘信號，可以消除電源使用的主要來源。這有助於顯著降低功耗，這對於電池供電設備尤為重要。

注意：時鐘門本身確實會耗電，因此確保僅在節電多於使用的情況下使用它很重要。

絕對限速

我們之前提到過同步快速時鐘變得更加困難。不幸的是，這是基礎物理學強加的硬性規定。任何東西都可以行進的最快速度是真空中的光速。這大約是每秒三億米（或每小時 670,600,000 英里），速度非常快。另一件非常快的事情是現代 CPU 的時鐘速度。5.7GHz 或每秒 57 億個滴答聲轉換為每 175 皮秒或 0.175 納秒一個時鐘滴答聲。當放在一起時，您可以計算出光在單個時鐘滴答的時間範圍內可以傳播多遠。它是 55 毫米或 2.1 英寸。

現在計算機不在光子上運行，至少它們還沒有，儘管光子學是一個進步的領域。計算機依靠移動速度較慢的電子運行。電子行進也沒有一條直線，並且有許多電子元件擋在路上。這些中的每一個都會延遲信號傳播。為此，需要在許多不同的點將時鐘信號引入 CPU，以便在整個過程中正確同步。

如前所述，介入電子設備會減慢時鐘信號的傳播速度。即使對於時鐘門也是如此。因此，在 CPU 設計期間，考慮這一點很重要。準確了解這會對時鐘信號的整體形狀產生什麼影響也很重要。稍微延遲的前沿可以與適當對齊的下降沿組合，從而導致更短的時鐘週期和可能不完整的功能。

結論

時鐘門是處理器設計中使用的電路組件。它阻止或允許同步時鐘信號到達一個或多個其他組件。這本質上充當了一個開關。主要目的是通過不花費功率來打開和關閉不應該做任何事情的電路來節省功率。它還可以防止能量轉化為熱量。這為正在使用的處理器的其他組件留下了更多的熱量和功率預算。或者，它減少了電源和冷卻系統的整體系統負載。系統設計需要考慮任何組件（甚至是開關）對如此緊密定時的時鐘信號造成的延遲。如果門打開時時鐘信號已經很高，還必須注意確保打開門不會發送縮短的時鐘信號。