La grande majorité des processeurs informatiques fonctionnent sur la base d'une fréquence d'horloge. La fréquence d'horloge est une mesure de la fréquence des oscillations du générateur d'horloge du processeur. Ces impulsions d'horloge sont utilisées pour synchroniser les opérations du processeur et sont un indicateur raisonnable de la vitesse du processeur. En d'autres termes, c'est la vitesse à laquelle le CPU peut effectuer des fonctions spécifiques.
La fréquence d'horloge est mesurée en cycles par seconde en utilisant le SI unit Hertz. Les processeurs et GPU modernes sont généralement mesurés en gigahertz (GHz), ou en milliards de cycles par seconde. Historiquement, les mégahertz (MHz) et même les kilohertz (kHz) ont été utilisés lorsque les fréquences d'horloge du processeur étaient inférieures.
L'horloge n'est pas là où vous pensez qu'elle est
Vous pourriez penser que le générateur d'horloge utilisé pour régler la fréquence d'horloge d'un processeur se trouve sur le processeur lui-même. Le générateur d'horloge est situé dans le chipset CPU de la carte mère. Le chipset définit l'horloge de base. C'est typiquement exactement 100MHz. Le CPU définit ensuite sa vitesse d'horloge en appliquant un multiplicateur à l'horloge de base.
L'oscillateur principal qui définit la fréquence d'horloge est un cristal de quartz oscillant précisément à une fréquence lorsqu'une charge électrique est appliquée. L'utilisation d'un multiplicateur signifie qu'il est possible de modifier à volonté la fréquence d'horloge réelle du processeur. Cela peut être utile lorsque vous essayez d'économiser de l'énergie au ralenti ou lorsque vous essayez d'augmenter la puissance lorsque vous êtes sous charge. L'overclocking est le processus d'augmentation manuelle de ce multiplicateur.
Certaines cartes mères offrent une deuxième horloge de base pouvant fonctionner à 125 MHz. Cela forme un deuxième cristal de quartz physique qui oscille à un rythme plus rapide. Comme vous vous en doutez, cela peut augmenter les performances du système, même sur les processeurs avec un multiplicateur verrouillé, car il est désormais fermé à la multiplication d'une valeur plus élevée. Malheureusement, cela peut entraîner des problèmes de stabilité avec d'autres composants, car tout suppose une horloge de base de 100 MHz. Votre kilométrage peut varier, mais ce n'est généralement pas conseillé.
Autoriser les limites de vitesse
Les électrons dans les circuits électriques peuvent voyager assez rapidement, généralement aux deux tiers de la vitesse de la lumière. Cela peut sembler rapide, mais il y a quelques problèmes avec les fréquences d'horloge dans la gamme GHz. À une vitesse d'horloge de 5 GHz, l'horloge du processeur oscille une fois toutes les 0,2 nanosecondes. La vitesse limite absolue de l'univers est la vitesse de la lumière dans le vide. La vitesse de la lumière est très rapide, près de 300 millions de mètres par seconde. Pourtant, en 0,2 nanoseconde, la lumière ne parcourt que 6 centimètres ou 2,4 pouces.
Maintenant, les processeurs ne sont pas particulièrement gros, mais ils mesurent relativement près de six centimètres. Le chemin qu'un électron – plus lent que la lumière – emprunterait à travers un processeur n'est pas rectiligne. Cela conduit à des problèmes de cohérence car - avec une seule horloge - un côté du CPU recevrait simplement l'impulsion d'horloge plus tard. Pour lutter contre cela, les processeurs ont plusieurs horloges qui sont toutes soigneusement synchronisées mais couvrent une zone beaucoup plus petite au sein du processeur global. Cela permet aux processeurs modernes à grande vitesse de rester synchronisés.
Binning
Les processeurs sont conçus pour fonctionner à une vitesse d'horloge spécifique. Les fabricants les vendent avec une vitesse d'horloge garantie. Les modèles plus rapides seront presque toujours plus chers. Même sans défauts, les tolérances de fabrication entraînent de légères variations impactant les performances. Avant que chaque processeur ne soit vendu, il est testé pour confirmer ses capacités. Il est trié dans une « corbeille » hautes performances s'il peut atteindre la fréquence d'horloge la plus élevée.
De même, les processeurs qui n'atteignent pas les vitesses de pointe mais peuvent atteindre les vitesses prévues pour les niveaux de processeur inférieurs sont triés dans des bacs de performances inférieures. Ce processus est appelé "binning" et signifie généralement que les processeurs plus chers sont susceptibles de fonctionner à des fréquences d'horloge plus élevées. Il est possible que les processeurs des bacs inférieurs fonctionnent mieux que leur niveau annoncé. Cependant, ils peuvent ne pas être en mesure de le dépasser de beaucoup car ils n'étaient généralement pas placés dans des bacs plus élevés.
Cependant, tous les processeurs ne sont pas parfaits et les défauts de fabrication peuvent simplement empêcher un processeur de fonctionner. Ces défauts de fabrication peuvent parfois être suffisamment mineurs pour que certaines fonctionnalités puissent simplement être désactivées. Par exemple, si un processeur présente un petit défaut, cela peut empêcher un seul cœur de fonctionner alors que le reste du processeur fonctionne correctement.
Pour vendre le produit, le fabricant désactivera généralement les pièces concernées - et si nécessaire, pour respecter un niveau de produit - même certaines pièces parfaitement fonctionnelles. Cela peut permettre au fabricant de vendre ce qui était, par exemple, un processeur à six cœurs en tant que processeur à quatre cœurs, ce qui leur rapporte toujours plus d'argent que de simplement jeter un produit coûteux. En règle générale, cela n'affecte pas directement la fréquence d'horloge, bien que cela puisse signifier que ce qui aurait été un processeur supérieur est placé dans un niveau inférieur simplement parce que certaines parties ont été désactivées.
Conclusion
La fréquence d'horloge est un facteur critique des performances du processeur, bien qu'elle ne soit pas directement comparable entre les architectures de processeur. La fréquence d'horloge d'un processeur est en fait définie indirectement. Une horloge de base standard de 100 MHz est utilisée dans presque tous les ordinateurs.
Le CPU définit ensuite un multiplicateur sur cette horloge de base pour obtenir sa fréquence d'horloge réelle. Les processeurs sont vendus avec une garantie de fonctionnement à une fréquence d'horloge spécifique ou inférieure. Dans de nombreux cas, ils peuvent être poussés au-delà via l'overclocking. Cependant, cela nécessite souvent un bon refroidissement car il consomme plus d'énergie et génère plus de chaleur.