Taktfrequenz

Im Computer, das Taktfrequenz oder Taktfrequenz bezieht sich normalerweise auf die Frequenz auf welch der Uhrengenerator von a Prozessor kann erzeugen Impulse, die gewohnt sind synchronisieren die Operationen seiner Komponenten,^[1] und wird als Indikator für die Geschwindigkeit des Prozessors verwendet. Es wird gemessen in Taktzyklen pro Sekunde oder sein Äquivalent, die Si Einheit Hertz (Hz).

Die Taktrate der ersten Generation von Computern wurde in Hertz oder Kilohertz (KHz) gemessen, die erste persönliche Computer (PCs) in den 1970er und 1980er Jahren in Megahertz (MHz) und im 21. Jahrhundert die Geschwindigkeit der modernen Taktraten gemessen wurden CPUs wird üblicherweise in Gigahertz (GHz) beworben. Diese Metrik ist am nützlichsten, wenn sie Prozessoren innerhalb derselben Familie vergleichen und konstante andere Merkmale halten, die sich auswirken können Leistung. Grafikkarte und CPU -Hersteller wählen üblicherweise ihre höchsten Leistungseinheiten aus einer Fertigungsstapel aus und setzen ihre maximale Taktrate höher, wodurch ein höherer Preis erzielt wird.

Faktoren bestimmen

Klasseneinteilung

Hersteller moderner Prozessoren berechnen in der Regel Prämienpreise für Prozessoren, die zu höheren Taktraten arbeiten, eine Praxis, die heißt Klasseneinteilung. Für eine gegebene CPU werden die Taktraten am Ende des Herstellungsprozesses durch die tatsächlichen Tests jedes Prozessors bestimmt. Chiphersteller veröffentlichen eine Spezifikation "Maximale Taktrate" und testen Chips, bevor sie sie verkaufen, um sicherzustellen, dass sie diese Spezifikation erfüllen, selbst wenn sie die kompliziertesten Anweisungen mit den Datenmustern ausführen, die sich am längsten abschließen (Tests bei Temperatur und Spannung Das läuft die niedrigste Leistung). Prozessoren, die erfolgreich auf Einhaltung eines bestimmten Satzes von Standards getestet wurden geringere Taktrate, z. B. 3,3 GHz, und verkauft zu einem niedrigeren Preis.^[2]

Maschinenbau

Die Taktrate einer CPU wird normalerweise durch die bestimmt Frequenz von einem Oszillatorkristall. Typischerweise erzeugt ein Kristalloszillator einen festen Sinus- Das Frequenzreferenzsignal. Elektronische Schaltkreise übersetzt das in a Rechteckschwingung bei der gleichen Frequenz für digitale Elektronikanwendungen (oder bei Verwendung a CPU -Multiplikator, ein festes mehrfaches mehrfach der Kristallreferenzfrequenz). Das Taktverteilungsnetzwerk In der CPU trägt das Taktsignal an alle Teile, die es brauchen. Ein A/D -Konverter hat einen "Uhr" -Fin, der von einem ähnlichen System angetrieben wird, um das festzulegen Abtastrate. Mit einer bestimmten CPU ersetzen Sie den Kristall durch einen anderen Kristall, der bei der Hälfte der Frequenz schwankt ("Untertaktung") lässt die CPU im Allgemeinen zur Hälfte der Leistung laufen und reduzieren Abwärme produziert von der CPU. Umgekehrt versuchen einige Menschen, die Leistung einer CPU zu erhöhen, indem er den Oszillatorkristall durch einen Kristall mit höherer Frequenz ersetzt (""Übertakten").^[3] Die Übertaktenmenge ist jedoch begrenzt, bis sich die CPU nach jedem Impuls und durch die zusätzliche Wärme erzeugt hat.

Nach jedem Taktimpuls benötigen die Signallinien in der CPU Zeit, um sich in ihren neuen Zustand einzulassen. Das heißt, jede Signallinie muss den Übergang von 0 auf 1 oder von 1 bis 0 beenden. Wenn der nächste Taktpuls davor kommt, sind die Ergebnisse falsch. Beim Übergang wird eine gewisse Energie als Hitze verschwendet (hauptsächlich innerhalb der treibenden Transistoren). Bei komplizierten Anweisungen, die viele Übergänge verursachen, desto höher ist die Taktrate, je mehr Wärme erzeugt wird. Transistoren können durch übermäßige Hitze beschädigt werden.

Es gibt auch eine untere Grenze der Taktrate, es sei denn ein vollständig statischer Kern wird genutzt.

Historische Meilensteine ​​und aktuelle Aufzeichnungen

Der erste vollständig mechanische analoge Computer, der Z1 Betriebsaktualisierungsfrequenz bei 1 Hz (Zyklus pro Sekunde) Taktfrequenz und der erste elektromechanische Generalzweckcomputer, der Z3, mit einer Häufigkeit von etwa 5–10 Hz betrieben. Der erste elektronische Generalzweckcomputer, der Eniacverwendete eine 100 -kHz -Uhr in seiner Radsporteinheit. Da jede Anweisung 20 Zyklen dauerte, hatte sie eine Anweisungsrate von 5 kHz.

Der erste kommerzielle PC, der Altair 8800 (Mit MITS) verwendeten eine Intel 8080 -CPU mit einer Taktrate von 2 MHz (2 Millionen Zyklen pro Sekunde). Das Original IBM PC (c. 1981) hatte eine Taktrate von 4,77 MHz (4.772.727 Zyklen pro Sekunde). Im Jahr 1992 brachen sowohl Hewlett-Packard als auch Digital Equipment Corporation das schwierige 100-MHz-Grenzwert mit RISC Techniken im PA-7100 und AXP 21064 Dec Alpha beziehungsweise. Im Jahr 1995, Intel P5 Pentium Chip lief bei 100 MHz (100 Millionen Zyklen pro Sekunde). Am 6. März 2000, AMD Erreichte den 1 -GHz -Meilenstein einige Monate vor Intel. Im Jahr 2002 ein Intel Pentium 4 Das Modell wurde als erste CPU mit einer Taktrate von 3 GHz eingeführt (drei Milliarden Zyklen pro Sekunde entsprechend ~ 0,33 Nanosekunden pro Zyklus). Seitdem hat die Taktrate der Produktionsprozessoren viel langsamer gestiegen, wobei die Leistungsverbesserungen aus anderen Designänderungen stammen.

Set im Jahr 2011 die, die Guinness Welt Rekord Für die höchste CPU -Taktrate beträgt 8,42938 GHz mit einem übertaktet AMD FX-8150 Bulldozer-basierter Chip in einem Lhe/Ln2 Kryobath, 5 GHz auf Sendung.^[4][5] Dies wird durch die übertroffen CPU-Z Übertakten Rekord für die höchste CPU-Taktrate bei 8,79433 GHz mit einem AMD FX-8350 Piledriver-basierter Chip gebadet in Ln2, erreicht im November 2012.^[6][7] Es wird auch durch den etwas langsameren AMD FX-8370 übertrost, der auf 8,72 GHz übertaktet ist und die HWBOT-Frequenzrankings erstreckt.^[8][9]

Das höchste Basisuhr Rate für einen Produktionsprozessor ist der IBM ZEC12mit 5,5 GHz, der im August 2012 veröffentlicht wurde.

Forschung

Ingenieure finden weiterhin neue Wege, um CPUs zu entwerfen, die sich etwas schneller einsetzen oder etwas weniger Energie pro Übergang nutzen, diese Grenzen zurückschieben und neue CPUs erzeugen, die mit etwas höheren Taktraten laufen können. Die endgültigen Energiegrenzen pro Übergang werden in untersucht Reversible Computing.

Die erste vollständig reversible CPU, das Pendel, wurde Ende der neunziger Jahre am MIT mit Standard -CMOS -Transistoren implementiert.^{[10][11][12][13]}

Die Ingenieure finden auch weiterhin neue Möglichkeiten zum Entwerfen von CPUs, damit sie mehr Anweisungen pro Taktzyklus erfüllen und so einen niedrigeren erreichen CPI (Zyklen oder Taktzyklen pro Befehl) zählen, obwohl sie als ältere CPUs mit gleicher oder niedrigerer Taktrate ausgeführt werden können. Dies wird durch architektonische Techniken wie beispielsweise erreicht Unterrichtspipelining und Ausführende Ausführung Welche Versuche zu nutzen Unterrichtsniveau Parallelität im Code.

IBM arbeitet an einer 100 -GHz -CPU. Im Jahr 2010 zeigte IBM a Graphen Basierter Transistor, der 100 Milliarden Zyklen pro Sekunde ausführen kann.^[14]

Vergleich

Die Taktrate einer CPU ist am nützlichsten, um Vergleiche zwischen CPUs in derselben Familie bereitzustellen. Die Taktrate ist nur einer von mehreren Faktoren, die die Leistung beim Vergleich der Prozessoren in verschiedenen Familien beeinflussen können. Zum Beispiel ein IBM -PC mit einem Intel 80486 Zentralprozessor Das Laufen mit 50 MHz ist etwa doppelt so schnell (nur intern) wie eins mit derselben CPU und dem gleichen Speicher, das bei 25 MHz ausgeführt wird, während dies für MIPS R4000 nicht zutrifft Implementieren Sie verschiedene Architekturen und Mikroarchitekturen. Darüber hinaus wird ein "kumulativer Taktrate" -Messung manchmal angenommen, indem die Gesamtkerne eingenommen und mit der Gesamtaktuhrenrate multipliziert werden (z. B. zwei Kern von 2,8 GHz als kumulatives Prozessor 5,6 GHz). Es sind viele andere Faktoren zu berücksichtigen, wenn Sie die Leistung von CPUs wie die Breite der CPUs vergleichen Datenbusdie Latenz des Gedächtnisses und die Zwischenspeicher die Architektur.

Die Taktrate allein wird im Allgemeinen als ungenau für die Leistung beim Vergleich verschiedener CPU -Familien angesehen. Software Benchmarks sind nützlicher. Die Taktraten können manchmal irreführend sein, da die Arbeit, die andere CPUs in einem Zyklus ausführen können, variiert. Zum Beispiel, Superscalar Prozessoren können mehr als einen Anweisungen pro Zyklus (im Durchschnitt) ausführen, aber es ist nicht ungewöhnlich, dass sie in einem Taktzyklus "weniger" tun. Darüber hinaus kann die Subskalar -CPUs oder die Verwendung von Parallelität die Leistung des Computers unabhängig von der Taktrate beeinflussen.

Siehe auch

Verweise