Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В вычислениях , то частота , как правило , относится к частоте , при которой тактовый генератор из процессора может генерировать импульсы , которые используются для синхронизации операций его компонентов, [1] и используется в качестве индикатора скорости процессора. Она измеряется в тактовых циклов в секунду или его эквивалента, в SI единицы герц (Гц).

Тактовая частота компьютеров первого поколения измерялась в герцах или килогерцах (кГц), первые персональные компьютеры (ПК), появившиеся в 1970-х и 1980-х годах, имели тактовые частоты, измеряемые в мегагерцах (МГц), а в 21 веке скорость современных процессоров обычно указывается в гигагерцах (ГГц). Этот показатель наиболее полезен при сравнении процессоров одного семейства, поскольку он поддерживает другие функции, которые могут повлиять на производительность . Производители видеокарт и процессоров обычно выбирают свои самые производительные блоки из производственной партии и устанавливают максимальную тактовую частоту выше, получая более высокую цену. [ необходима цитата ]

Определяющие факторы [ править ]

Биннинг [ править ]

Основная статья: Биннинг продуктов

Производители современных процессоров обычно взимают повышенные цены за процессоры, которые работают с более высокими тактовыми частотами, и эта практика называется биннингом.. Для данного процессора тактовая частота определяется в конце производственного процесса путем фактического тестирования каждого процессора. Производители микросхем публикуют спецификацию «максимальной тактовой частоты» и 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. [2]

Инженерное дело [ править ]

Тактовая частота процессора обычно определяется частотой от с кварцевым генератором . Обычно кварцевый генератор генерирует фиксированную синусоидальную волну - опорный сигнал частоты. Электронная схема переводит , что в квадратную волну на одной и те же частоты для цифровых приложений электроники (или, в использовании множителя процессора , некоторые фиксированные несколько из опорной частоты кристалла). Сеть распределения часов внутри ЦП передает этот тактовый сигнал всем частям, которые в нем нуждаются. В аналого-цифровом преобразователе есть «тактовый» вывод, 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 половинной производительностью и сокращает избыточное тепло, производимое ЦП. И наоборот, некоторые люди пытаются повысить производительность процессора, заменяя кристалл генератора на кристалл с более высокой частотой (« разгон »). [3] Тем не менее, объем разгона ограничен временем установления ЦП 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 [ править ]

Первый полностью механический аналоговый компьютер Z1 работал с тактовой частотой 1 Гц (цикл в секунду), а 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 компьютер IBM PC (ок. 1981 г.) имел тактовую частоту 4,77 МГц (4 772 727 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 чип Intel P5 Pentium работал на частоте 100 МГц (100 миллионов циклов в секунду). 6 марта 2000 г. AMD достигла рубежа в 1 ГГц, опередив Intel на несколько месяцев. В 2002 году Intel Pentium 4Модель была представлена ​​как первый процессор с тактовой частотой 3 ГГц (три миллиарда циклов в секунду, что соответствует ~ 0,33 наносекунды на цикл). С тех пор тактовая частота производственных процессоров увеличивалась гораздо медленнее, при этом улучшения производительности были обусловлены другими изменениями конструкции.

По состоянию на 2014 год мировой рекорд Гиннеса по наивысшей тактовой частоте процессора - это разогнанный чип FX-8370 на базе AMD Piledriver с тактовой частотой 10,723 ГГц . Он превзошел предыдущий рекорд, достигнутый в 2011 году, чип AMD FX-8150 Bulldozer с тактовой частотой 8,429 ГГц . [4]

По состоянию на середину 2013 года самой высокой тактовой частотой серийного процессора является IBM zEC12 с тактовой частотой 5,5 ГГц, выпущенный в августе 2012 года.

Исследование [ править ]

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

Первый полностью реверсивный ЦП, Pendulum, был реализован с использованием стандартных КМОП-транзисторов в конце 1990-х в Массачусетском технологическом институте. [5] [6] [7] [8]

Инженеры также продолжают находить новые способы проектирования ЦП, чтобы они выполняли больше инструкций за такт, тем самым достигая меньшего количества CPI (циклов или тактов на инструкцию), хотя они могут работать с той же или более низкой тактовой частотой, что и старые ЦП . Это достигается с помощью архитектурных методов, таких как конвейерная обработка команд и выполнение вне очереди, которые пытаются 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. [9]

Сравнение [ править ]

Основная статья: Миф о мегагерцах

Тактовая частота ЦП наиболее полезна для сравнения ЦП одного семейства. Тактовая частота - лишь один из нескольких факторов, которые могут повлиять на производительность при сравнении процессоров разных семейств. Например, IBM PC с Intel 80486 CPUработа на частоте 50 МГц будет примерно в два раза быстрее (только для внутреннего использования), чем одна 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 той же тактовой частотой, поскольку это два разных процессора, которые реализовывать разные архитектуры и микроархитектуры. Кроме того, показатель «совокупной тактовой частоты» иногда принимается путем умножения общего числа ядер на общую тактовую частоту (например, двухъядерный процессор 2,8 ГГц считается совокупной тактовой 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. Тесты программного обеспечения 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 цикл (в среднем), но они нередко делают «меньше» за такт. Кроме того, субскалярные процессоры или использование параллелизма также могут влиять на производительность компьютера независимо от тактовой частоты.

См. Также [ править ]

  • Частоты кварцевого генератора
  • Двойная скорость передачи данных
  • Четверная скорость передачи данных
  • Пульсовая волна
  • Инструкций в секунду
  • Закон Мура

Ссылки [ править ]

  1. ^ http://foldoc.org/Clock
  2. ^ [1] [2]
  3. ^ Содерстрем, Томас. "Руководство по разгону, часть 1: Риски, возможности и преимущества: кто занимается разгоном?" . «Разгон» ранних процессоров был таким же простым - и столь же ограниченным - как замена дискретного тактового кристалла ... Появление регулируемых тактовых генераторов позволило осуществить «разгон» без замены таких частей, как тактовый кристалл.
  4. ^ Chiappetta, Marco (23 сентября 2011). «AMD побила 8 ГГц разгон с будущим процессором FX, установила мировой рекорд. Рекорд был побит с разгоном 8794 МГц с AMD FX 8350» . HotHardware . Проверено 28 апреля 2012 .
  5. ^ Майкл Франк. "RevComp - Исследовательская группа обратимых и квантовых вычислений" .
  6. ^ Майкл Суэйн. «Назад в будущее» . Журнал доктора Добба. 2004 г.
  7. ^ Майкл П. Франк. «Обратимые вычисления: требование для экстремальных суперкомпьютеров» .
  8. ^ Мэтью Артур Моррисон. «Теория, синтез и применение адиабатических и обратимых логических схем для приложений безопасности» . 2014 г.
  9. ^ "IBM Подробности самого быстрого в мире графенового транзистора" . PCWorld . 2010-02-05 . Проверено 23 апреля 2019 .

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 версии 1.3 или новее.