อัตรานาฬิกาคืออะไร?

โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ทำงานตามอัตรานาฬิกา อัตรานาฬิกาคือการวัดความถี่ของการสั่นของเครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์ พัลส์นาฬิกาเหล่านี้ใช้เพื่อซิงโครไนซ์การทำงานของโปรเซสเซอร์และเป็นตัวบ่งชี้ความเร็วโปรเซสเซอร์ที่เหมาะสม กล่าวอีกนัยหนึ่งคืออัตราที่ CPU สามารถทำหน้าที่เฉพาะได้

อัตรานาฬิกาวัดเป็นรอบต่อวินาทีโดยใช้ SI รวมเฮิรตซ์ โดยทั่วไปแล้ว CPU และ GPU สมัยใหม่จะมีหน่วยวัดเป็นกิกะเฮิรตซ์ (GHz) หรือหลายพันล้านรอบต่อวินาที ในอดีต มีการใช้เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และแม้แต่กิโลเฮิรตซ์ (kHz) เมื่ออัตราสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์ต่ำลง

นาฬิกาไม่ใช่ที่ที่คุณคิด

คุณอาจคิดว่าตัวสร้างสัญญาณนาฬิกาจริงที่ใช้กำหนดอัตรานาฬิกาของ CPU นั้นอยู่บนตัว CPU เอง เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกาอยู่ในชิปเซ็ต CPU บนเมนบอร์ด ชิปเซ็ตตั้งค่านาฬิกาพื้นฐาน โดยทั่วไปแล้วจะเป็น 100MHz อย่างแน่นอน จากนั้น CPU จะตั้งค่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาโดยใช้ตัวคูณกับนาฬิกาพื้นฐาน

ออสซิลเลเตอร์หลักที่กำหนดอัตรานาฬิกาคือคริสตัลควอตซ์ที่สั่นที่ความถี่เดียวอย่างแม่นยำเมื่อใช้ประจุไฟฟ้า การใช้ตัวคูณหมายความว่าสามารถเปลี่ยนอัตรานาฬิกาของ CPU จริงได้ตามต้องการ สิ่งนี้มีประโยชน์เมื่อพยายามประหยัดพลังงานเมื่อไม่ได้ใช้งานหรือเมื่อพยายามเพิ่มให้สูงขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้ภาระงาน การโอเวอร์คล็อกเป็นกระบวนการในการเพิ่มตัวคูณนี้ด้วยตนเอง

มาเธอร์บอร์ดบางรุ่นมีนาฬิกาฐานที่สองที่สามารถทำงานได้ที่ 125MHz ทำให้เกิดผลึกควอทซ์ทางกายภาพตัวที่สองที่สั่นด้วยอัตราที่เร็วกว่า อย่างที่คุณคาดไว้ การทำเช่นนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบได้ แม้แต่ใน CPU ที่มีตัวคูณที่ถูกล็อก เพราะตอนนี้ปิดการคูณค่าที่มากขึ้นแล้ว น่าเสียดายที่สิ่งนี้อาจทำให้เกิดปัญหาด้านความเสถียรกับส่วนประกอบอื่น ๆ โดยพื้นฐานแล้วทุกอย่างถือว่านาฬิกาฐาน 100MHz ระยะของคุณอาจแตกต่างกันไป แต่โดยทั่วไปไม่แนะนำ

อนุญาตให้จำกัดความเร็ว

อิเล็กตรอนในวงจรไฟฟ้าสามารถเดินทางได้ค่อนข้างเร็ว โดยทั่วไปแล้วจะเป็นสองในสามของความเร็วแสง อาจฟังดูเร็ว แต่มีปัญหาบางอย่างเกี่ยวกับอัตรานาฬิกาในช่วง GHz ที่ความเร็วนาฬิกา 5GHz นาฬิกาของ CPU จะสั่นทุกๆ 0.2 นาโนวินาที ขีดจำกัดความเร็วสัมบูรณ์ของจักรวาลคือความเร็วของแสงในสุญญากาศ ความเร็วของแสงนั้นเร็วมากเกือบ 300 ล้านเมตรต่อวินาที อย่างไรก็ตาม ใน 0.2 นาโนวินาที แสงเดินทางได้เพียง 6 เซนติเมตรหรือ 2.4 นิ้วเท่านั้น

ตอนนี้ซีพียูไม่ใหญ่มาก แต่มีขนาดค่อนข้างใกล้ถึงหกเซนติเมตร เส้นทาง a - ช้ากว่าแสง - อิเล็กตรอนจะผ่าน CPU แทบจะไม่ตรง สิ่งนี้นำไปสู่ปัญหาการเชื่อมโยงกัน - ด้วยนาฬิกาเดียว - ด้านหนึ่งของ CPU จะได้รับสัญญาณนาฬิกาในภายหลัง เพื่อต่อสู้กับสิ่งนั้น ซีพียูมีนาฬิกาหลายตัวที่ซิงโครไนซ์อย่างระมัดระวัง แต่ครอบคลุมพื้นที่ที่เล็กกว่ามากภายใน CPU โดยรวม สิ่งนี้ทำให้ซีพียูความเร็วสูงที่ทันสมัยสามารถซิงโครไนซ์ได้

บินนิ่ง

ซีพียูได้รับการออกแบบมาให้ทำงานด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่กำหนด ผู้ผลิตขายด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่รับประกัน รุ่นที่เร็วกว่ามักจะมีราคาแพงกว่าเกือบทุกครั้ง แม้จะไม่มีข้อบกพร่อง ความคลาดเคลื่อนในการผลิตก็ทำให้เกิดความผันแปรเล็กน้อยซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน ก่อนจำหน่าย CPU ทุกตัว จะมีการทดสอบเพื่อยืนยันความสามารถของ CPU มันถูกจัดเรียงเป็น "ถังขยะ" ที่มีประสิทธิภาพสูงหากสามารถเข้าถึงอัตรานาฬิกาสูงสุดได้

ในทำนองเดียวกัน CPU ที่ไม่ถึงความเร็วสูงสุดแต่สามารถเข้าถึงความเร็วที่ตั้งใจไว้สำหรับระดับโปรเซสเซอร์ที่ต่ำกว่านั้นจะถูกจัดเรียงเป็นถังเก็บประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า กระบวนการนี้เรียกว่า "binning" และโดยทั่วไปหมายความว่า CPU ที่มีราคาแพงกว่ามีแนวโน้มที่จะสามารถทำงานได้ที่อัตราสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้น เป็นไปได้ที่ CPU จากถังขยะด้านล่างจะทำงานได้ดีกว่าระดับที่โฆษณาไว้ อย่างไรก็ตาม พวกมันอาจไม่สามารถเกินได้มากเท่าที่ปกติแล้วจะไม่อยู่ในถังขยะที่สูงกว่า

ไม่ใช่ว่า CPU ทุกตัวจะออกมาสมบูรณ์แบบ และข้อบกพร่องในการผลิตก็สามารถป้องกันไม่ให้ CPU ทำงานได้เลย ข้อบกพร่องในการผลิตเหล่านี้บางครั้งอาจเล็กน้อยพอที่จะปิดการใช้งานคุณสมบัติบางอย่างได้ ตัวอย่างเช่น หาก CPU มีข้อบกพร่องเล็กน้อย อาจทำให้แกนเดียวไม่ทำงานในขณะที่ CPU ที่เหลือใช้งานได้

ในการขายสินค้า ผู้ผลิตมักจะปิดการใช้งานชิ้นส่วนที่ได้รับผลกระทบ และหากจำเป็น เพื่อให้ได้ระดับผลิตภัณฑ์ แม้กระทั่งชิ้นส่วนที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งจะทำให้ผู้ผลิตสามารถขายสิ่งที่เคยเป็น เช่น CPU แบบ 6 คอร์เป็น CPU แบบ 4 คอร์ ซึ่งยังคงทำเงินได้มากกว่าเพียงแค่ทิ้งผลิตภัณฑ์ราคาแพง โดยทั่วไปแล้ว สิ่งนี้จะไม่ส่งผลกระทบโดยตรงต่ออัตรานาฬิกา แม้ว่าอาจหมายความว่าสิ่งที่น่าจะเป็น CPU ถังขยะระดับบนสุดจะถูกจัดวางไว้ในระดับที่ต่ำกว่าเพียงเพราะบางส่วนถูกปิดใช้งาน

บทสรุป

อัตรานาฬิกาเป็นปัจจัยสำคัญในประสิทธิภาพของ CPU แม้ว่าสถาปัตยกรรมของ CPU อาจไม่สามารถเปรียบเทียบได้โดยตรง อัตรานาฬิกาของ CPU ถูกกำหนดโดยอ้อม นาฬิกาฐาน 100MHz มาตรฐานใช้ในคอมพิวเตอร์เกือบทั้งหมด

จากนั้น CPU จะตั้งค่าตัวคูณบนนาฬิกาฐานนี้เพื่อรับอัตรานาฬิกาจริง ซีพียูมีจำหน่ายพร้อมการรับประกันว่าจะทำงานที่อัตรานาฬิกาที่กำหนดหรือต่ำกว่า ในหลายกรณี พวกเขาสามารถผลักดันได้มากกว่านั้นผ่านการโอเวอร์คล็อก อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้มักต้องการความเย็นที่ดี เนื่องจากต้องใช้พลังงานมากกว่าและทำให้เกิดความร้อนมากขึ้น