Тактовая частота

редактировать
Тактовая частота микропроцессора с течением времени

В вычислениях обычно тактовая частота относится к частоте, на которой тактовый генератор процессора может генерировать импульсы, которые используются для синхронизации работы его компонентов, и используется как индикатор скорости процессора. Он измеряется в тактах в секунду или в его эквиваленте, SI единица герц (Гц).

Тактовая частота компьютеров первого поколения измерялась в герцах или килогерцах (кГц), у первых персональных компьютеров (ПК), появившихся в 1970-х и 1980-х годах, тактовая частота измерялась в мегагерц (МГц), а в 21 веке скорость современных ЦП обычно объявляется в гигагерцах (ГГц). Этот показатель наиболее полезен при сравнении процессоров одного семейства, поскольку он поддерживает другие функции, которые могут влиять на производительность. Производители видеокарт и процессоров обычно выбирают свои самые высокопроизводительные блоки из производственной партии и устанавливают максимальную тактовую частоту выше, получая более высокую цену.

Содержание

  • 1 Определяющие факторы
    • 1.1 Группирование
    • 1.2 Инженерия
  • 2 Исторические вехи и текущие записи
  • 3 Исследования
  • 4 Сравнение
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки

Определяющие факторы

Биннинг

Производители современных процессоров обычно взимают повышенную цену за процессоры, которые работают с более высокими тактовыми частотами, и эта практика называется binning. Для данного процессора тактовая частота определяется в конце производственного процесса путем фактического тестирования каждого процессора. Производители микросхем публикуют спецификацию "максимальной тактовой частоты", и они тестируют микросхемы перед их продажей, чтобы убедиться, что они соответствуют этой спецификации, даже при выполнении самых сложных инструкций с шаблонами данных, требующими наибольшего времени для установления (тестирование при температуре и напряжении который работает с самой низкой производительностью). Процессоры, успешно протестированные на соответствие заданному набору стандартов, могут быть помечены с более высокой тактовой частотой, например, 3,50 ГГц, в то время как процессоры, которые не соответствуют стандартам более высокой тактовой частоты, но соответствуют стандартам меньшей тактовой частоты, могут быть помечены как меньшая тактовая частота, например, 3,3 ГГц, и продается по более низкой цене.

Конструирование

Тактовая частота процессора обычно определяется частотой кварцевый генератор. Как правило, кварцевый генератор производит фиксированный синусоиды -The частоты опорного сигнала. Электронная схема переводит, что в квадратной волны на одной и той же частоты для цифровых приложений электроники (или, в использовании множителя процессора, некоторые фиксированные кратное опорной частоты кристалла). Сеть распределения тактовых импульсов внутри ЦП передает этот тактовый сигнал всем частям, которым он нужен. В аналого-цифровом преобразователе имеется вывод «синхронизации», управляемый аналогичной системой для установки частоты дискретизации. В любом конкретном ЦП замена кристалла другим кристаллом, который колеблется с половинной частотой («пониженная частота »), обычно заставляет ЦП работать с половиной производительности и снижает избыточное тепло, производимое CPU. И наоборот, некоторые люди пытаются повысить производительность ЦП, заменяя кристалл генератора на кристалл с более высокой частотой («разгон »). Однако объем разгона ограничен временем, за которое ЦП успокаивается после каждого импульса, и выделяемым дополнительным теплом.

После каждого тактового импульса сигнальным линиям внутри ЦП требуется время, чтобы прийти в новое состояние. То есть каждая сигнальная линия должна закончить переход от 0 к 1 или от 1 к 0. Если следующий тактовый импульс придет до этого, результаты будут неверными. В процессе перехода часть энергии тратится в виде тепла (в основном внутри управляющих транзисторов). При выполнении сложных инструкций, вызывающих множество переходов, чем выше тактовая частота, тем больше выделяется тепла. Транзисторы могут быть повреждены из-за чрезмерного нагрева.

Существует также нижний предел тактовой частоты, если не используется полностью статическое ядро ​​.

Исторические вехи и текущие записи

Первый электромеханический компьютер общего назначения, Z3, работал с частотой около 5–10 Гц. Первый электронный компьютер общего назначения, ENIAC, использовал тактовую частоту 100 кГц в своем циклическом блоке. Поскольку каждая инструкция занимала 20 циклов, она имела частоту команд 5 кГц.

Первый коммерческий ПК, Altair 8800 (от MITS), использовал процессор Intel 8080 с тактовой частотой 2 МГц (2 миллиона циклов в секунду). Исходный IBM PC (ок. 1981 г.) имел тактовую частоту 4,77 МГц (4772727 циклов в секунду). В 1992 году и Hewlett-Packard, и Digital Equipment Corporation преодолели сложный предел 100 МГц с помощью методов RISC в PA-7100 и AXP 21064 DEC Alpha соответственно. В 1995 году микросхема Intel P5 Pentium работала на частоте 100 МГц (100 миллионов циклов в секунду). 6 марта 2000 г. AMD достигла рубежа в 1 ГГц, на несколько месяцев опередив Intel. В 2002 году модель Intel Pentium 4 была представлена ​​в качестве первого процессора с тактовой частотой 3 ГГц (три миллиарда циклов в секунду, что соответствует ~ 3,3 × 10 секунд или 0,33 наносекунды на цикл). С тех пор тактовая частота производственных процессоров увеличивалась гораздо медленнее, причем повышение производительности происходило за счет других изменений конструкции.

По состоянию на 2014 год Мировой рекорд Гиннеса за наивысшую тактовую частоту процессора составляет разогнанный, 8,723 ГГц AMD на базе Piledriver FX- 8370 чип. Он превзошел предыдущий рекорд, достигнутый в 2011 году, чип AMD FX-8150 Bulldozer с тактовой частотой 8,429 ГГц.

По состоянию на середину 2013 года наивысшая тактовая частота серийного процессора - IBM zEC12 с тактовой частотой 5,5 ГГц, выпущенный в августе 2012 года.

Исследования

Инженеры продолжают находить новые способы разработки процессоров, которые немного быстрее устанавливаются или используют немного меньше энергии на переход, раздвигая эти ограничения, производя новые процессоры, которые могут работать с немного более высокими тактовыми частотами. Пределы энергии на переход исследуются в обратимых вычислениях.

Первый полностью обратимый ЦП, Pendulum, был реализован с использованием стандартных транзисторов CMOS в конце 1990-х в Массачусетском технологическом институте.

Инженеры также продолжают найти новые способы спроектировать ЦП так, чтобы они выполняли больше инструкций за такт, тем самым достигая меньшего количества CPI (циклов или тактов на инструкцию), хотя они могут работать с такой же или более низкой тактовой частотой, как старые процессоры. Это достигается с помощью архитектурных методов, таких как конвейерная обработка команд и выполнение вне очереди, которое пытается использовать параллелизм на уровне команд в коде.

IBM работает над процессором 100 ГГц. В 2010 году IBM продемонстрировала транзистор на основе графена, который может выполнять 100 миллиардов циклов в секунду.

Сравнение

Тактовая частота ЦП наиболее полезна для сравнения между Процессоры в одном семействе. Тактовая частота - лишь один из нескольких факторов, которые могут влиять на производительность при сравнении процессоров разных семейств. Например, IBM PC с Intel 80486 CPU, работающим на частоте 50 МГц, будет примерно в два раза быстрее (только внутренне), чем компьютер с тем же процессором и памятью, работающими на частоте 25 МГц, в то время как то же самое не будет верно для MIPS R4000, работающего с одинаковой тактовой частотой, поскольку это два разных процессора, реализующих разные архитектуры и микроархитектуры. Кроме того, показатель «совокупной тактовой частоты» иногда принимается путем умножения общего числа ядер на общую тактовую частоту (например, двухъядерный процессор с частотой 2,8 ГГц считается совокупной частотой процессора 5,6 ГГц). При сравнении производительности ЦП необходимо учитывать множество других факторов, таких как ширина шины данных ЦП, задержка памяти и архитектура кеша.

Сама по себе тактовая частота обычно считается неточным показателем производительности при сравнении различных семейств процессоров. Программные тесты более полезны. Тактовые частоты иногда могут вводить в заблуждение, поскольку объем работы, которую могут выполнять разные процессоры за один цикл, различается. Например, суперскалярные процессоры могут выполнять более одной инструкции за такт (в среднем), но нередко они делают «меньше» за такт. Кроме того, субскалярные процессоры или использование параллелизма также могут влиять на производительность компьютера независимо от тактовой частоты.

См. Также

Ссылки

Эта статья основана на материалах, взятых из Free On-line Dictionary of Computing до 1 ноября 2008 г. и включенных в соответствии с условиями «перелицензирования» GFDL, версия 1.3 или позже.

Последняя правка сделана 2021-05-15 11:56:31
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте