時脈

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時脈(又譯:時脈速度英語clock rate)是指同步電路中時鐘的基礎頻率,它以「若干次週期每秒」來度量,量度單位採用SI單位赫茲(Hz)。例如,來自晶振的基準頻率通常等於一個固定的正弦波形,則時脈就是這個基準頻率,電子電路會為數位電子裝置將它轉化成對應的脈衝方波。需要補充一點的是,「速度」作為向量不應與純量「頻率」相混淆,所以使用「時鐘速度」來描述這個概念是用詞不當的。

在單個時鐘週期內(現代非嵌入式微處理器的這個時間一般都短於一奈秒)邏輯零狀態與邏輯一狀態來回切換。 由於發熱和電力規格的限制,週期里邏輯零狀態的持續時間歷來要長於邏輯一狀態。

中央處理器CPU)製造商常為時脈較高的CPU定額外的高價。就某個CPU來說,時脈是在生產環節的最後透過實測測定的。透過了特定測試標準的CPU會被標上這個標準相應的時脈,如1.5GHz。而當一個CPU沒有透過較高時脈一級的測試但透過了較低一級的測試時,它會被標上一個較低的時脈。例如某個CPU未透過1.5GHz時脈的測試卻透過了1.33GHz那一級的,它就會被標為1.33GHz,並且相對於時脈為1.5GHz的CPU,它的賣價要低。[1][2]

時脈的限制條件[編輯]

CPU的時脈通常是由晶體振蕩器頻率決定的。首台商業PC牛郎星8800(由MITS製造)使用了一個時脈為2MHz(200萬次/秒)的Intel 8080 CPU。第一台IBM PC的時脈是4.77MHz(4,772,727次/秒)。1995年,Intel's Pentium 晶片達到了100 MHz (1億次/秒),到了2002年,最快的CPU:Intel Pentium 4 達到了3GHz(三十億次/秒,相當於每個周期3.3*10-10秒)

對某些CPU來說,將時脈降低一半(降頻),一般來說效能也將降低一半,同時此CPU產生的熱量也將減少到原來的一半

與此相對的,有些人試圖提高CPU效能,為此他們嘗試讓CPU執行在一個較高的時脈上(超頻[1]。對他們來說他們的超頻行為可能會很快受到下面一條或者兩條條件的限制:

  • 在一個時鐘脈衝後,CPU的訊號線需要時間穩定它的新狀態。如果上一個脈衝的訊號還沒有處理完成,而下一個時鐘脈衝來的太快(在所有訊號線完成從0到1或者從1到0的轉換前),就會產生錯誤的結果。晶片製造商制定了「最高時脈」的規範,並且在出售晶片之前對它們進行測試確保它們符合「最高時脈」的規範。測試將執行最複雜的指令,處理最複雜的資料模型確定使用的最長處理時間(測試在最合適的電壓和穩定保證CPU在最低效能下執行),保證最高時脈時不會發生衝突。
  • 當訊號線從1轉換到0狀態(也可以是0轉換到1狀態)時,將會浪費部分能量使之轉換為熱能(主要是內部驅動電晶體)。當CPU執行複雜指令,由此進行大量的1狀態0狀態之間的互相轉換時,更高的時脈將產生更多的熱量。如果產生的熱量不能被散熱系統及時帶走,電晶體將可能因此過熱損壞。

工程師一直在尋找新的方法來設計CPU,使它們效能提高,耗能減少,減少限制條件的影響,使新的CPU能執行在更高的時脈上。最終限制條件可能由可逆計算解決,雖然可逆計算還沒有得到應用。

同時人們也在尋找另一種新方法來設計CPU,使新CPU與老CPU執行在相同甚至更低的時脈,但是新CPU將擁有在每個時鐘周期執行更多指令的能力(另見摩爾定律)。

比較[編輯]

時脈是比較在同一家族內的晶片效能的唯一方法。例如,一台PC機配備了50MHz的Intel 486 CPU的電腦,它的效能大約是擁有同樣記憶體、顯示裝置和CPU但CPU執行在25MHz的另一台電腦的兩倍,而如果是一台執行在相同時脈的MIPS R4000電腦就不能這樣直接比較了,因為它們的處理器、功能和架構是不同的。此外,在比較電腦整體效能的時候還需要考慮很多因素,例如前端匯流排(" front side bus",FSB),記憶體的時脈,CPU通用暫存器的資料寬度和機器的一級、二級快取等。

時脈不應該被應用在不同電腦或者不同類處理器家族的比較中。而是應該以軟體基準測試的結果作為比較的標準。僅僅考慮時脈會讓人產生誤解,因為不同的處理器在一個周期內能完成的工作是不一樣的。例如,精簡指令集(RISC)處理器的指令要比複雜指令集(CISC)的簡單(但是時脈要高)、超純量處理機可以在一個周期內執行多條指令,但是它一個周期沒有完成多條指令的情況也不少見。此外除去時脈,低純量和並列度都影響了電腦的效能。

歷史[編輯]

在20世紀90年代初期,大多數電腦公司宣傳他們的電腦效能主要提及CPU的時脈。這導致了各種各樣的行銷手段,比如說蘋果電腦公司決定生產銷售時脈110MHz的Power Macintosh 8100/110,因此蘋果公司可以宣傳這台機器是執行速度最快的--因為當時Intel最快的處理器執行在100MHz。但是這是毫無意義的,因為 PowerPC 和 Pentium 處理器的架構完全不同。

在2000年以後,Intel 的老對手,AMD公司使用型號取代頻率來推廣它的處理器,因為當時Intel的Pentium 4處理器雖然擁有較高頻率、但效能卻輸給相同時脈的其他x86處理器。這個趨勢試圖降低「兆赫神話」的影響,因CPU的時脈並不能表現出CPU的全部效能。2004年, Intel 公司宣布它也將型號代替頻率進行命名,可能是因為消費者將Pentium M移動處理器(它的頻率大致相當於 Pentium 4的一半)與 Pentium 4 相混淆了。截至2007年,CPU效能的提高主要透過流水線指令集多核心技術的創新來實作,而不是時脈的提高(時脈的提高受到了CPU功耗下降的限制)。

參閱連結[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ "Overclocking" early processors was as simple - and as limited - as changing the discrete clock crystal ... The advent of adjustable clock generators has allowed "overclocking" to be done without changing parts such as the clock crystal."-- Overclocking Guide Part 1: Risks, Choices and Benefits : Who Overclocks? by Thomas Soderstrom

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