Тактовая частота процессора

Введение

Частота, с которой работает процессорный чип или ядро

В вычислительной технике тактовая частота или тактовая скорость обычно относится к частоте, с которой тактовый генератор процессора генерирует импульсы, используемые для синхронизации работы его компонентов, и служит индикатором производительности процессора. Она измеряется в основной единице измерения частоты – герцах (Hz). Тактовая частота компьютеров первого поколения измерялась в герцах или килогерцах (кГц), первые персональные компьютеры (ПК), появившиеся в 1970-х и 1980-х годах, имели тактовую частоту, измеряемую в мегагерцах (МГц), а в XXI веке скорость современных процессоров обычно указывается в гигагерцах (ГГц). Эта метрика наиболее полезна при сравнении процессоров в рамках одной и той же линейки, при условии сохранения постоянными другие характеристики, которые могут влиять на производительность.

Складывание в бин

Производители современных процессоров обычно устанавливают более высокие цены на процессоры с более высокими тактовыми частотами, что является практикой, известной как биннинг. Тактовая частота каждого конкретного процессора определяется в конце производственного процесса посредством тестирования. Производители чипов публикуют спецификацию "максимальной тактовой частоты" и тестируют чипы перед продажей, чтобы убедиться в соответствии этой спецификации, даже при выполнении наиболее сложных инструкций с данными, требующими наибольшего времени для стабилизации (тестирование проводится при температуре и напряжении, обеспечивающих минимальную производительность). Процессоры, успешно прошедшие проверку на соответствие определенному набору стандартов, могут маркироваться более высокой тактовой частотой, например, 3,50 ГГц, а те, которые не соответствуют стандартам для более высокой частоты, но соответствуют стандартам для более низкой частоты, могут маркироваться более низкой частотой, например, 3,3 ГГц, и продаваться по более низкой цене.

Инженерная

Частота тактирования процессора обычно определяется частотой кварцевого генератора. Как правило, кварцевый генератор производит фиксированную синусоидальную волну – опорный частотный сигнал. Электронная схема преобразует её в прямоугольную волну той же частоты для применения в цифровой электронике (или, при использовании множителя частоты процессора, в некоторое фиксированное кратное опорной частоты кварцевого генератора). Сеть тактирования внутри процессора передает этот сигнал всем компонентам, которым он необходим. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет вход "clock", управляемый аналогичной системой для установки частоты дискретизации. Для конкретного процессора замена кварца на кварц с частотой вдвое меньшей ("понижение частоты") обычно приводит к снижению производительности процессора вдвое и уменьшению выделяемого тепла. И наоборот, некоторые пытаются повысить производительность процессора, заменяя кварцевый генератор на кварц с более высокой частотой ("разгон"). Однако степень разгона ограничена временем, необходимым процессору для установления состояния после каждого импульса, и дополнительным выделением тепла. После каждого тактового импульса сигнальным линиям внутри процессора требуется время для установления в новое состояние, то есть каждая сигнальная линия должна завершить переход из 0 в 1 или из 1 в 0. Если следующий тактовый импульс приходит раньше, результаты будут некорректными. В процессе перехода часть энергии рассеивается в виде тепла (в основном в управляющих транзисторах). При выполнении сложных инструкций, вызывающих множество переключений, чем выше частота тактирования, тем больше тепла выделяется. Транзисторы могут быть повреждены избыточным нагревом. Существует также нижний предел частоты тактирования, если не используется полностью статическое ядро.

Исторические вехи и текущие записи

Первый полностью механический аналоговый компьютер Z1 работал на тактовой частоте 1 Гц (цикл в секунду), а первый электромеханический компьютер общего назначения Z3 – с частотой около 5–10 Гц. Первый электронный компьютер общего назначения ENIAC использовал тактовый генератор частотой 100 кГц в своем циклическом блоке. Поскольку на выполнение каждой инструкции требовалось 20 циклов, его скорость обработки инструкций составляла 5 кГц. Первый коммерческий ПК Altair 8800 (от MITS) использовал процессор Intel 8080 с тактовой частотой 2 МГц (2 миллиона циклов в секунду). Оригинальный IBM PC (около 1981 года) имел тактовую частоту 4,77 МГц (4 772 727 циклов в секунду). В 1992 году компании Hewlett Packard и Digital Equipment Corporation (DEC) преодолели отметку в 100 МГц, используя RISC-технологии в моделях PA 7100 и AXP 21064 DEC Alpha соответственно. В 1995 году чип Intel P5 Pentium работал на частоте 100 МГц (100 миллионов циклов в секунду). 6 марта 2000 года AMD продемонстрировала преодоление отметки в 1 ГГц, на несколько дней опередив Intel, выпустившую системы с 1 ГГц. В 2002 году модель Intel Pentium 4 была представлена как первый процессор с тактовой частотой 3 ГГц (три миллиарда циклов в секунду, что соответствует примерно 0,33 наносекунды на цикл). С тех пор тактовая частота производственных процессоров стала увеличиваться медленнее, а повышение производительности достигалось за счет других изменений в конструкции. В 2011 году был установлен мировой рекорд Гиннесса по максимальной тактовой частоте процессора – 8,42938 ГГц – с использованием разогнанного чипа AMD FX 8150 Bulldozer, охлаждаемого в криобате на основе LHe/LN2, и 5 ГГц при воздушном охлаждении. Этот рекорд был превзойден рекордом CPU Z по разгону, составившим 8,79433 ГГц для чипа AMD FX 8350 Piledriver, охлаждаемого в LN2, достигнутым в ноябре 2012 года. Также он превзойден немного более медленным AMD FX 8370, разогнанным до 8,72 ГГц, который возглавляет рейтинг частот HWBOT. Эти рекорды были побиты в конце 2022 года, когда Intel Core i9 13900K был разогнан до 9,008 ГГц. Самая высокая базовая тактовая частота среди производственных процессоров принадлежит IBM zEC12, работающему на частоте 5,5 ГГц, который был выпущен в августе 2012 года.

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.

Исследования

Инженеры продолжают находить новые способы проектирования процессоров, которые устанавливаются немного быстрее или потребляют немного меньше энергии на переход, отодвигая эти границы и создавая новые процессоры, способные работать на немного более высоких тактовых частотах. Абсолютные пределы энергопотребления на переход исследуются в области обратимых вычислений. Первый полностью обратимый процессор, Pendulum, был реализован на стандартных CMOS-транзисторах в конце 1990-х годов в Массачусетском технологическом институте. Инженеры также продолжают разрабатывать процессоры, способные выполнять больше инструкций за такт, тем самым снижая количество тактов на инструкцию (CPI), хотя они могут работать на той же или даже более низкой тактовой частоте, чем старые процессоры. Это достигается за счет архитектурных решений, таких как конвейеризация инструкций и внеочередное выполнение, которые стремятся использовать параллелизм на уровне инструкций в коде.

Сравнение

Частота тактового генератора процессора наиболее полезна для сравнения процессоров в пределах одной и той же линейки. Частота тактового генератора – это лишь один из нескольких факторов, влияющих на производительность при сравнении процессоров из разных линеек. Например, IBM PC с процессором Intel 80486, работающим на частоте 50 МГц, будет примерно в два раза быстрее (внутренне), чем аналогичный компьютер с тем же процессором и памятью, работающими на частоте 25 МГц, в то время как то же самое не будет справедливо для MIPS R4000, работающего на той же частоте, поскольку это два разных процессора, реализующих различные архитектуры и микроархитектуры. Более того, иногда используется понятие "суммарной частоты тактового генератора", которое вычисляется путем умножения общего количества ядер на частоту тактового генератора (например, двухъядерный процессор с частотой 2,8 ГГц работает с суммарной частотой 5,6 ГГц). При сравнении производительности процессоров следует учитывать множество других факторов, таких как ширина шины данных процессора, задержка памяти и архитектура кэша. Сама по себе частота тактового генератора обычно считается неточным показателем производительности при сравнении различных линеек процессоров. Более полезны программные тесты. Частоты тактового генератора иногда могут быть обманчивы, поскольку объем работы, выполняемый разными процессорами за один цикл, может различаться. Например, суперскалярные процессоры могут выполнять более одной инструкции за цикл (в среднем), однако часто они выполняют "меньше" за один такт. Кроме того, субскалярные процессоры или использование параллелизма также могут влиять на производительность компьютера независимо от частоты тактового генератора.