Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
CPU чипінің немесе ядросының жұмыс істейтін жиілігі
Frequency at which CPU chip or core is operating
Есептеу техникасында, сағаттық жиілік немесе сағат жылдамдығы процессордың сағат генераторының импульстарды тудыратын жиілігін білдіреді, олар оның компоненттерінің жұмысын синхрондау үшін қолданылады және процессордың жылдамдығын көрсететін индикатор ретінде пайдаланылады. Ол жиіліктің Халықаралық жүйе бірлігінде – герц (Hz) өлшенеді. Компьютерлердің бірінші буынының сағаттық жиілігі герц немесе килогерц (кГц) өлшенді, 1970 және 1980 жылдары пайда болған алғашқы жеке компьютерлердің (PC) сағаттық жиілігі мегагерц (MHz) өлшенді, ал 21-ғасырда заманауи CPU-дың жылдамдығы көбінесе гигагерц (GHz) арқылы жарияланады. Бұл көрсеткіш, егер өнімділікке әсер ететін басқа да мүмкіндіктерді өзгермей ұстаса, бір отбасыдағы процессорларды салыстыру үшін ең пайдалы.
In computing, the clock rate or clock speed typically refers to the frequency at which the clock generator of a processor can generate pulses, which are used to synchronize the operations of its components, and is used as an indicator of the processor's speed. It is measured in the SI unit of frequency hertz (Hz). The clock rate of the first generation of computers was measured in hertz or kilohertz (kHz), the first personal computers (PCs) to arrive throughout the 1970s and 1980s had clock rates measured in megahertz (MHz), and in the 21st century the speed of modern CPUs is commonly advertised in gigahertz (GHz). This metric is most useful when comparing processors within the same family, holding constant other features that may affect performance.
Бинінгіш
Қазіргі заманғы процессор өндірушілері әдетте жоғары жиілікте жұмыс істейтін процессорлар үшін жоғары баға сұрайды, бұл практиканы "саралау" деп атайды. Нақты процессордың жиілігі өндіріс процесінің соңында әрбір процессорды сынау арқылы анықталады. Чип өндірушілері "максималды жиілік" сипаттамасын жариялайды және оларды сату алдында осы сипаттамаға сай келеді-келмейді деп тексеру үшін сынақтан өткізеді, тіпті ең күрделі командаларды орындағанда және ең ұзақ уақытқа орналасатын дерек үлгілерін қолданғанда (ең төменгі өнімділікті қамтамасыз ететін температура мен кернеуде сынау). Белгілі бір стандарттарға сәйкес келетіні анықталған процессорлар, мысалы, 3,50 ГГц жиілікпен белгіленуі мүмкін, ал жоғары жиілік стандарттарына сай келмей, төменгі жиілік стандарттарына сай келсе, олар төменгі жиілікпен, мысалы, 3,3 ГГц белгіленуі мүмкін және арзанырақ бағамен сатылуы мүмкін.
Manufacturers of modern processors typically charge higher prices for processors that operate at higher clock rates, a practice called binning. For a given CPU, the clock rates are determined at the end of the manufacturing process through testing of each processor. Chip manufacturers publish a "maximum clock rate" specification, and they test chips before selling them to make sure they meet that specification, even when executing the most complicated instructions with the data patterns that take the longest to settle (testing at the temperature and voltage that gives the lowest performance). Processors successfully tested for compliance with a given set of standards may be labeled with a higher clock rate, e. g., 3.50 GHz, while those that fail the standards of the higher clock rate yet pass the standards of a lower clock rate may be labeled with the lower clock rate, e. g., 3.3 GHz, and sold at a lower price.
Инженерлік
CPU-ның сағаттық жиілігі әдетте осциллятор кристалының жиілігімен анықталады. Кристалл осцилляторы әдетте тұрақты синусоидты толқынды – жиілік эталондық сигналын шығарады. Электрондық тізбектер оны цифрлық электроника қолданбалары үшін сол жиіліктегі тіктөртбұрышты толқынға түрлендіреді (немесе, CPU көбейткіші қолданылғанда, кристалл эталондық жиілігінің белгілі бір еселігіне). CPU-дың ішіндегі сағаттық тарату желісі осы сағат сигналын қажетті бөліктерге жеткізеді. А/Д түрлендіргіште үлгі алу жиілігін орнату үшін ұқсас жүйемен басқарылатын «сағат» контакты бар. Кез келген CPU үшін, кристалды жарты жиілікте тербелетін басқа кристаллмен алмастыру («төмендету») әдетте CPU-дың өнімділігін екі есеге төмендетіп, CPU-дың бөліп шығаратын артық жылуын азайтады. Керісінше, кейбір адамдар осциллятор кристаллын жоғары жиілікті кристаллмен алмастыру арқылы CPU-дың өнімділігін арттыруға тырысады («көтеру»). Дегенмен, көтеру мөлшері әр импульстан кейін CPU-дың тұрақтандырылу уақытымен және пайда болатын қосымша жылумен шектеледі. Әрбір сағат импульсінен кейін, CPU-дың ішіндегі сигнал желілері жаңа күйіне жету үшін уақыт қажет. Яғни, әрбір сигнал желісі 0-ден 1-ге немесе 1-ден 0-ға өтуді аяқтауы керек. Егер келесі сағат импульсі осыған дейін келсе, нәтижелер дұрыс болмайды. Өту процесінде энергияның бір бөлігі жылу ретінде ысырапқа кетеді (көбінесе басқару транзисторларының ішінде). Күрделі нұсқауларды орындау кезінде, көптеген өтулерді тудыратын жағдайда, сағат жиілігі неғұрлым жоғары болса, соғұрлым көп жылу бөлінеді. Транзисторлар артық жылудан зақымдануы мүмкін. Толық статикалық ядро қолданылмаса, сағат жиілігінің ең төменгі шегі де бар.
The clock rate of a CPU is normally determined by the frequency of an oscillator crystal. Typically a crystal oscillator produces a fixed sine wave—the frequency reference signal. Electronic circuitry translates that into a square wave at the same frequency for digital electronics applications (or, when using a CPU multiplier, some fixed multiple of the crystal reference frequency). The clock distribution network inside the CPU carries that clock signal to all the parts that need it. An A/D Converter has a "clock" pin driven by a similar system to set the sampling rate. With any particular CPU, replacing the crystal with another crystal that oscillates at half the frequency ("underclocking") will generally make the CPU run at half the performance and reduce waste heat produced by the CPU. Conversely, some people try to increase performance of a CPU by replacing the oscillator crystal with a higher frequency crystal ("overclocking"). However, the amount of overclocking is limited by the time for the CPU to settle after each pulse, and by the extra heat created. After each clock pulse, the signal lines inside the CPU need time to settle to their new state. That is, every signal line must finish transitioning from 0 to 1, or from 1 to 0. If the next clock pulse comes before that, the results will be incorrect. In the process of transitioning, some energy is wasted as heat (mostly inside the driving transistors). When executing complicated instructions that cause many transitions, the higher the clock rate the more heat produced. Transistors may be damaged by excessive heat. There is also a lower limit of the clock rate, unless a fully static core is used.
Тарихи кезеңдер мен қазіргі жазбалар
Бірінші толық механикалық аналогтық компьютер Z1 1 Гц (секундына цикл) сағаттық жиілікпен жұмыс істеді, ал алғашқы электромеханикалық жалпы мақсаттағы компьютер Z3 шамамен 5–10 Гц жиілікпен жұмыс істеді. ENIAC деген алғашқы жалпы мақсаттағы электронды компьютерде циклдік бөлімінде 100 кГц сағаты қолданылды. Әрбір команда 20 циклді қажет еткендіктен, оның команда орындау жылдамдығы 5 кГц болды. Алғашқы коммерциялық дербес компьютер, Altair 8800 (MITS) Intel 8080 процессорын 2 МГц (2 миллион цикл/секунд) такты жылдамдығымен қолданды. IBM-нің бастапқы компьютерінің (шамамен 1981 ж.) сағаттық жиілігі 4,77 МГц (секундына 4,772,727 цикл) болды. 1992 жылы Hewlett Packard және Digital Equipment Corporation (DEC) компаниялары PA 7100 және AXP 21064 DEC Alpha процессорларында RISC технологиясын қолданып 100 МГц-тен асып кетті. 1995 жылы Intel компаниясының P5 Pentium чипі 100 МГц жылдамдықпен (100 миллион цикл/секунд) жұмыс істеді. 2000 жылдың 6 наурызында AMD, Intel-дің 1 ГГц жүйелерін шығарудан бірнеше күн бұрын 1 ГГц шегінен өтуін көрсетті. 2002 жылы Intel Pentium 4 моделі 3 ГГц (секундына үш миллиард цикл, циклге ~ 0,33 наносекунд) сағаттық жылдамдығы бар алғашқы процессор ретінде ұсынылды. Содан бері өндірістік процессорлардың сағаттық жиілігі баяу өсті, ал өнімділікті жақсарту басқа конструкциялық өзгерістерден туындады. 2011 жылы Гиннестің рекордтар кітабында CPU сағатының ең жоғары жылдамдығы 8.42938 ГГц деп тіркелді, бұл LHe/LN2 криобанясындағы AMD FX 8150 Bulldozer негізіндегі чиппен, ал ауада 5 ГГц құрады. Бұл, 2012 жылдың қарашасында LN2-ге батырылған AMD FX 8350 Piledriver негізіндегі чиппен 8.79433 ГГц жылдамдыққа жеткен CPU Z-дің үдемелі рекордынан асып түсті. Сонымен қатар, 8,72 ГГц-қа дейін үдемелі тоқылған сәл баяу AMD FX 8370 HWBOT жиілік рейтингісінде ең жоғары орынды иеленді. Бұл рекордтар 2022 жылдың соңында Intel Core i9 13900K 9.008 ГГц-қа дейін үдемелі тоқылған кезде жаңартылды. Өндірістік процессордың ең жоғары базалық сағаттық жиілігі – 2012 жылдың тамызында шығарылған 5,5 ГГц сағаттық жиілікке ие IBM zEC12.
The first fully mechanical analog computer, the Z1, operated at 1 Hz (cycle per second) clock frequency and the first electromechanical general purpose computer, the Z3, operated at a frequency of about 5–10 Hz. The first electronic general purpose computer, the ENIAC, used a 100 kHz clock in its cycling unit. As each instruction took 20 cycles, it had an instruction rate of 5 kHz. The first commercial PC, the Altair 8800 (by MITS), used an Intel 8080 CPU with a clock rate of 2 MHz (2 million cycles per second). The original IBM PC (c. 1981) had a clock rate of 4.77 MHz (4,772,727 cycles per second). In 1992, both Hewlett Packard and Digital Equipment Corporation (DEC) exceeded 100 MHz with RISC techniques in the PA 7100 and AXP 21064 DEC Alpha respectively. In 1995, Intel's P5 Pentium chip ran at 100 MHz (100 million cycles per second). On March 6, 2000, AMD demonstrated passing the 1 GHz milestone a few days ahead of Intel shipping 1 GHz in systems. In 2002, an Intel Pentium 4 model was introduced as the first CPU with a clock rate of 3 GHz (three billion cycles per second corresponding to ~ 0.33 nanoseconds per cycle). Since then, the clock rate of production processors has increased more slowly, with performance improvements coming from other design changes. Set in 2011, the Guinness World Record for the highest CPU clock rate is 8.42938 GHz with an overclocked AMD FX 8150 Bulldozer based chip in an LHe/LN2 cryobath, 5 GHz on air. This is surpassed by the CPU Z overclocking record for the highest CPU clock rate at 8.79433 GHz with an AMD FX 8350 Piledriver based chip bathed in LN2, achieved in November 2012. It is also surpassed by the slightly slower AMD FX 8370 overclocked to 8.72 GHz which tops off the HWBOT frequency rankings. These records were broken in late 2022 when an Intel Core i9 13900K was overclocked to 9.008 GHz. The highest base clock rate on a production processor is the IBM zEC12, clocked at 5.5 GHz, which was released in August 2012.
Зерттеу
Инженерлер процессорларды одан да жылдам орналастырудың немесе бір циклда аздап энергия жұмсаудың жаңа жолдарын іздеуде, осылайша шектеулерді ығыстырып, жоғары жиілікте жұмыс істей алатын жаңа процессорларды жасауда. Бір циклдағы энергияның соңғы шектері кері есептеуде зерттеледі. Алғашқы толыққанды кері процессор, Pendulum, 1990 жылдардың соңында Массачусетс технология институтында стандартты CMOS транзисторларын пайдаланып жасалды. Сондай-ақ инженерлер процессорларды бір сағат циклында көбірек командаларды орындайтындай етіп жобалаудың жаңа тәсілдерін табуда, осы арқылы CPI (командаға қатынаш циклдер немесе сағат циклдері) санын төмендетуге қол жеткізеді, бірақ олар ескі процессорлар сияқты бірдей немесе төмен жиілікте жұмыс істей алады. Бұл командалық құбыржолдар және реттіліксіз орындалу сияқты архитектуралық техникалар арқылы іске асырылады, олар кодтағы командалық деңгейдегі параллелизмді пайдалануға бағытталған.
Engineers continue to find new ways to design CPUs that settle a little more quickly or use slightly less energy per transition, pushing back those limits, producing new CPUs that can run at slightly higher clock rates. The ultimate limits to energy per transition are explored in reversible computing. The first fully reversible CPU, the Pendulum, was implemented using standard CMOS transistors in the late 1990s at the Massachusetts Institute of Technology. Engineers also continue to find new ways to design CPUs so that they complete more instructions per clock cycle, thus achieving a lower CPI (cycles or clock cycles per instruction) count, although they may run at the same or a lower clock rate as older CPUs. This is achieved through architectural techniques such as instruction pipelining and out of order execution which attempts to exploit instruction level parallelism in the code.
Салыстыру
CPU-ның сағаттық жиілігі бір отбасыдағы CPU-ларды салыстыру үшін ең пайдалы. Сағаттық жиілік – әртүрлі отбасылардағы процессорларды салыстырғанда өнімділікке әсер ететін көптеген факторлардың бірі ғана. Мысалы, 50 МГц жиілікте жұмыс істейтін Intel 80486 CPU-ы бар IBM PC, бірдей CPU және жады 25 МГц жиілікте жұмыс істейтінге қарағанда (ішкі жағынан ғана) шамамен екі есе жылдам болады, бірақ MIPS R4000 процессорларында бірдей сағаттық жиілікте бұл дұрыс болмайды, себебі олар әртүрлі архитектуралар мен микроархитектураларды іске асыратын екі түрлі процессор. Сонымен қатар, кейде «жинақтамалы сағаттық жиілік» өлшемі ядролардың жалпы санын алып, оны сағаттық жиілікке көбейту арқылы есептеледі (мысалы, екі ядролы 2,8 ГГц процессор 5,6 ГГц жиілікте жұмыс істейді). CPU-дың өнімділігін салыстырғанда CPU-дың деректер шинасының ені, жадтың жауап беру уақыты және кэш архитектурасы сияқты көптеген факторларды қарастыру қажет. Сағаттық жиілік жалғыз өзі әртүрлі CPU отбасыларын салыстырғанда өнімділіктің дәл өлшемі болып саналмайды. Бағдарламалық қамтамасыз етудің сынақтары көбірек пайдалы. Сағаттық жиілік кейде жаңылыстыруы мүмкін, себебі әртүрлі CPU-лар бір циклде атқара алатын жұмыстың көлемі әртүрлі болады. Мысалы, суперскалярлы процессорлар әр циклде (орташа есеппен) бірнеше нұсқауды орындай алады, бірақ олардың сағаттық циклде «кем» жұмыс жасауы да мүмкін. Сонымен қатар, субскалярлы CPU немесе параллелизмді пайдалану компьютердің өнімділігіне сағаттық жиілігіне қарамастан әсер етуі мүмкін.
The clock rate of a CPU is most useful for providing comparisons between CPUs in the same family. The clock rate is only one of several factors that can influence performance when comparing processors in different families. For example, an IBM PC with an Intel 80486 CPU running at 50 MHz will be about twice as fast (internally only) as one with the same CPU and memory running at 25 MHz, while the same will not be true for MIPS R4000 running at the same clock rate as the two are different processors that implement different architectures and microarchitectures. Further, a "cumulative clock rate" measure is sometimes assumed by taking the total cores and multiplying by the total clock rate (e. g. a dual core 2.8 GHz processor running at a cumulative 5.6 GHz). There are many other factors to consider when comparing the performance of CPUs, like the width of the CPU's data bus, the latency of the memory, and the cache architecture. The clock rate alone is generally considered to be an inaccurate measure of performance when comparing different CPUs families. Software benchmarks are more useful. Clock rates can sometimes be misleading since the amount of work different CPUs can do in one cycle varies. For example, superscalar processors can execute more than one instruction per cycle (on average), yet it is not uncommon for them to do "less" in a clock cycle. In addition, subscalar CPUs or use of parallelism can also affect the performance of the computer regardless of clock rate.