Подавляющее большинство компьютерных процессоров работают на основе тактовой частоты. Тактовая частота является мерой частоты колебаний тактового генератора процессора. Эти тактовые импульсы используются для синхронизации операций процессора и являются разумным индикатором скорости процессора. Другими словами, это скорость, с которой ЦП может выполнять определенные функции.
Тактовая частота измеряется в циклах в секунду с использованием единицы СИ Герц. Современные процессоры и графические процессоры обычно измеряются в гигагерцах (ГГц) или миллиардах циклов в секунду. Исторически мегагерцы (МГц) и даже килогерцы (кГц) использовались, когда тактовые частоты процессора были ниже.
Часы не там, где вы думаете
Вы можете подумать, что фактический тактовый генератор, используемый для установки тактовой частоты ЦП, находится на самом ЦП. Тактовый генератор находится в чипсете процессора на материнской плате. Чипсет устанавливает базовые часы. Обычно это ровно 100 МГц. Затем ЦП устанавливает свою тактовую частоту, применяя множитель к базовой частоте.
Основной генератор, который устанавливает тактовую частоту, представляет собой кварцевый кристалл, колеблющийся ровно на одной частоте при подаче электрического заряда. Использование множителя означает, что фактическую тактовую частоту процессора можно изменить по желанию. Это может пригодиться, когда вы пытаетесь сэкономить энергию на холостом ходу или когда пытаетесь увеличить мощность под нагрузкой. Разгон — это процесс увеличения этого множителя вручную.
Некоторые материнские платы предлагают вторую базовую тактовую частоту, которая может работать на частоте 125 МГц. Это формирует второй физический кристалл кварца, который колеблется с большей скоростью. Как и следовало ожидать, это может повысить производительность системы даже на процессорах с заблокированным множителем, потому что теперь он закрыт для умножения большего значения. К сожалению, это может вызвать проблемы со стабильностью других компонентов, так как в основном все предполагает базовую тактовую частоту 100 МГц. Ваш пробег может варьироваться, но обычно это не рекомендуется.
Разрешение на ограничение скорости
Электроны в электрических цепях могут двигаться довольно быстро, обычно две трети скорости света. Это может показаться быстрым, но есть некоторые проблемы с тактовой частотой в диапазоне ГГц. При тактовой частоте 5 ГГц тактовая частота процессора колеблется каждые 0,2 наносекунды. Абсолютный предел скорости Вселенной — это скорость света в вакууме. Скорость света очень высока, почти 300 миллионов метров в секунду. Тем не менее, за 0,2 наносекунды свет проходит всего 6 сантиметров или 2,4 дюйма.
Теперь процессоры не особенно большие, но их размер относительно близок к шести сантиметрам. Путь a — медленнее света — электрон должен пройти через центральный процессор, вряд ли можно назвать прямым. Это приводит к проблемам с когерентностью, поскольку — с одним тактовым сигналом — одна сторона ЦП просто получит тактовый импульс позже. Чтобы бороться с этим, процессоры имеют несколько часов, которые тщательно синхронизированы, но покрывают гораздо меньшую область в пределах всего ЦП. Это позволяет современным высокоскоростным процессорам оставаться синхронизированными.
Биннинг
Процессоры предназначены для работы на определенной тактовой частоте. Производители продают их с гарантированной тактовой частотой. Более быстрые модели почти всегда будут дороже. Даже при отсутствии дефектов производственные допуски приводят к небольшим отклонениям, влияющим на производительность. Перед продажей каждый ЦП проходит тестирование для подтверждения его возможностей. Он сортируется в высокопроизводительную «корзину», если может достичь максимальной тактовой частоты.
Точно так же ЦП, которые не достигают пиковых скоростей, но могут достигать скоростей, предназначенных для более низких уровней процессоров, сортируются в корзины с более низкой производительностью. Этот процесс называется «биннингом» и обычно означает, что более дорогие процессоры, вероятно, смогут работать на более высоких тактовых частотах. Процессоры из более низких категорий могут работать лучше, чем заявленный уровень. Тем не менее, они, возможно, не смогут превзойти его намного, поскольку обычно их не помещают в более высокие корзины.
Однако не каждый процессор получается идеальным, а производственные дефекты могут просто помешать работе процессора. Эти производственные дефекты иногда могут быть настолько незначительными, что некоторые функции могут быть просто отключены. Например, если у ЦП есть крошечная ошибка, это может помешать работе одного ядра, в то время как остальная часть ЦП в порядке.
Чтобы продать продукт, производитель обычно отключает затронутые части — и, если необходимо, чтобы соответствовать уровню продукта — даже некоторые полностью функциональные части. Это может позволить производителю продавать то, что было, например, шестиядерным ЦП как четырехъядерный ЦП, что все равно приносит им больше денег, чем простой отказ от дорогого продукта. Как правило, это не влияет напрямую на тактовую частоту, хотя это может означать, что то, что было бы центральным процессором верхней корзины, помещается на более низкий уровень просто потому, что некоторые части были отключены.
Вывод
Тактовая частота является критическим фактором для производительности ЦП, хотя она может быть несопоставима напрямую между архитектурами ЦП. Тактовая частота процессора фактически устанавливается косвенно. Стандартная базовая частота 100 МГц используется почти во всех компьютерах.
Затем ЦП устанавливает множитель для этой базовой частоты, чтобы получить фактическую тактовую частоту. Процессоры продаются с гарантией работы на определенной тактовой частоте или ниже. Во многих случаях их можно увеличить за счет разгона. Однако для этого часто требуется хорошее охлаждение, поскольку оно потребляет больше энергии и выделяет больше тепла.