В вычислительной технике тактовая частота или тактовая частота обычно относится к частоте , с которой тактовый генератор процессора может генерировать импульсы , которые используются для синхронизации работы его компонентов, [1] и используется как индикатор скорости процессора. Она измеряется в единице СИ частоты герц (Гц).
Тактовая частота первого поколения компьютеров 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 21 веке скорость современных ЦП обычно указывается в гигагерцах (ГГц). Эта метрика наиболее полезна при сравнении процессоров в пределах одного семейства, сохраняя постоянными другие характеристики, которые могут влиять на производительность .
Производители современных процессоров обычно устанавливают более высокие цены на процессоры, работающие на более высоких тактовых частотах, эта практика называется биннингом . Для конкретного ЦП тактовые частоты определяются в конце производственного процесса путем тестирования каждого процессора. Производители чипов публикуют спецификацию «максимальной тактовой частоты» и тестируют чипы перед продажей, чтобы убедиться, что они соответствуют этой спецификации, даже при выполнении самых сложных инструкций с шаблонами данных, которые требуют больше всего времени для установки (тестирование при температуре и напряжении, которые дают самую низкую производительность). Процессоры, успешно протестированные на соответствие заданному набору стандартов, могут быть маркированы как имеющие более высокую тактовую частоту, например, 3,50 ГГц, в то время как те, которые не соответствуют стандартам более высокой тактовой частоты, но соответствуют стандартам более низкой тактовой частоты, могут быть маркированы как имеющие более низкую тактовую частоту, например, 3,3 ГГц, и продаваться по более низкой цене. [2] [3]
Тактовая частота ЦП обычно определяется частотой кристалла генератора . Обычно кварцевый генератор вырабатывает фиксированную синусоидальную волну — опорный сигнал частоты. Электронная схема преобразует ее в прямоугольную волну с той же частотой для цифровых электронных приложений (или, при использовании умножителя ЦП , в некоторую фиксированную кратность опорной частоты кристалла). Сеть распределения тактовых импульсов внутри ЦП переносит этот тактовый сигнал ко всем частям, которым он нужен. Аналого -цифровой преобразователь имеет «тактовый» вывод, управляемый аналогичной системой для установки частоты дискретизации . В случае любого конкретного ЦП замена кристалла на другой кристалл, который колеблется с половинной частотой (« недоразгон »), как правило, заставит ЦП работать с половинной производительностью и уменьшит тепловыделение, производимое ЦП. И наоборот, некоторые люди пытаются повысить производительность ЦП, заменяя кристалл генератора на кристалл с более высокой частотой (« разгон »). [4] Однако величина разгона ограничена временем, необходимым ЦП для стабилизации после каждого импульса, и дополнительным выделяемым теплом.
После каждого тактового импульса сигнальным линиям внутри ЦП нужно время, чтобы прийти в новое состояние. То есть, каждая сигнальная линия должна завершить переход из 0 в 1 или из 1 в 0. Если следующий тактовый импульс придет раньше, результаты будут неверными. В процессе перехода часть энергии тратится впустую в виде тепла (в основном внутри управляющих транзисторов). При выполнении сложных инструкций, вызывающих много переходов, чем выше тактовая частота, тем больше выделяется тепла. Транзисторы могут быть повреждены из-за чрезмерного нагрева.
Также существует нижний предел тактовой частоты, если только не используется полностью статическое ядро .
Первый полностью механический аналоговый компьютер Z1 работал на тактовой частоте 1 Гц (цикл в секунду), а первый электромеханический компьютер общего назначения Z3 работал на частоте около 5–10 Гц. Первый электронный компьютер общего назначения ENIAC использовал тактовую частоту 100 кГц в своем циклическом блоке. Поскольку каждая инструкция занимала 20 циклов, он имел частоту инструкций 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 (ок. 1981 г.) имел тактовую частоту 4,77 МГц (4 772 727 циклов в секунду). В 1992 г. и Hewlett-Packard, и Digital Equipment Corporation (DEC) превысили 100 МГц с помощью RISC- технологий в PA-7100 и AXP 21064 DEC Alpha соответственно. В 1995 г. чип Pentium P5 от Intel работал на частоте 100 МГц (100 миллионов циклов в секунду). 6 марта 2000 г. AMD продемонстрировала преодоление рубежа в 1 ГГц на несколько дней раньше, чем Intel начала поставки 1 ГГц в системах. В 2002 году была представлена модель Intel Pentium 4 как первый процессор с тактовой частотой 3 ГГц (три миллиарда циклов в секунду, что соответствует ~ 0,33 наносекунды на цикл). С тех пор тактовая частота процессоров серийного производства увеличивалась медленнее, а улучшения производительности достигались за счет других изменений в конструкции.
Установленный в 2011 году мировой рекорд Гиннесса по самой высокой тактовой частоте процессора составляет 8,42938 ГГц с разогнанным чипом на базе AMD FX-8150 Bulldozer в криованне LHe / LN2 , 5 ГГц на воздухе . [5] [6] Это превзойдено рекордом разгона CPU-Z по самой высокой тактовой частоте процессора в 8,79433 ГГц с чипом на базе AMD FX-8350 Piledriver , залитым LN2 , достигнутым в ноябре 2012 года. [7] [8] Его также превзошел немного более медленный AMD FX-8370, разогнанный до 8,72 ГГц, который возглавляет рейтинг частот HWBOT. [9] [10] Эти рекорды были побиты в конце 2022 года, когда Intel Core i9-13900K был разогнан до 9,008 ГГц. [11]
Самая высокая базовая тактовая частота среди процессоров серийного производства — это i9-14900KS с тактовой частотой 6,2 ГГц, выпущенный в первом квартале 2024 года. [12]
Инженеры продолжают искать новые способы проектирования ЦП, которые устанавливаются немного быстрее или используют немного меньше энергии за переход, отодвигая эти ограничения, производя новые ЦП, которые могут работать на немного более высоких тактовых частотах. Конечные пределы энергии за переход исследуются в обратимых вычислениях .
Первый полностью обратимый процессор Pendulum был реализован с использованием стандартных КМОП-транзисторов в конце 1990-х годов в Массачусетском технологическом институте. [13] [14] [15] [16]
Инженеры также продолжают искать новые способы проектирования ЦП, чтобы они выполняли больше инструкций за такт, тем самым достигая меньшего количества CPI (циклов или тактов на инструкцию), хотя они могут работать на той же или более низкой тактовой частоте, что и старые ЦП. Это достигается с помощью архитектурных методов, таких как конвейеризация инструкций и внеочередное выполнение , которое пытается использовать параллелизм на уровне инструкций в коде.
Тактовая частота ЦП наиболее полезна для сравнения ЦП одного семейства. Тактовая частота — это лишь один из нескольких факторов, которые могут влиять на производительность при сравнении процессоров разных семейств. Например, IBM PC с ЦП Intel 80486 , работающим на частоте 50 МГц, будет примерно в два раза быстрее (только внутренне), чем ПК с тем же ЦП и памятью, работающей на частоте 25 МГц, в то время как то же самое не будет верно для MIPS R4000, работающего на той же тактовой частоте, поскольку это два разных процессора, реализующих разные архитектуры и микроархитектуры. Кроме того, иногда предполагается измерение «кумулятивной тактовой частоты», беря общее количество ядер и умножая его на общую тактовую частоту (например, двухъядерный процессор 2,8 ГГц, работающий на кумулятивной частоте 5,6 ГГц). Существует много других факторов, которые следует учитывать при сравнении производительности ЦП, таких как ширина шины данных ЦП , задержка памяти и архитектура кэша .
Тактовая частота сама по себе обычно считается неточным показателем производительности при сравнении различных семейств ЦП. Программные тесты более полезны. Тактовая частота иногда может вводить в заблуждение, поскольку объем работы, которую различные ЦП могут выполнить за один цикл, различается. Например, суперскалярные процессоры могут выполнять более одной инструкции за цикл (в среднем), однако для них не редкость выполнять «меньше» за тактовый цикл. Кроме того, субскалярные ЦП или использование параллелизма также могут влиять на производительность компьютера независимо от тактовой частоты.
«Разгон» ранних процессоров был столь же прост — и столь же ограничен — как замена дискретного тактового кристалла... Появление регулируемых тактовых генераторов позволило производить «разгон» без замены таких деталей, как тактовый кристалл.