В вычислениях тактовая частота или тактовая частота обычно относится к частоте , с которой тактовый генератор процессора может генерировать импульсы , которые используются для синхронизации операций его компонентов [1] и используется как индикатор скорости процессора . . Измеряется в единицах частоты СИ ( 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 процессоров обычно рекламируется в гигагерцах (ГГц). Этот показатель наиболее полезен при сравнении процессоров одного семейства, при этом другие характеристики, которые могут повлиять на производительность , остаются неизменными .
Производители современных процессоров обычно взимают более высокие цены за процессоры, работающие на более высоких тактовых частотах. Эта практика называется биннингом . Для конкретного процессора тактовая частота определяется 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, для стабилизации которых требуется больше всего времени (тестирование при температуре и напряжении это дает самую низкую производительность). Процессоры, успешно протестированные на соответствие заданному набору стандартов, могут быть маркированы с более высокой тактовой частотой, например, 3,50 ГГц, тогда как процессоры, которые не соответствуют стандартам более высокой тактовой частоты, но соответствуют стандартам более низкой тактовой частоты, могут быть помечены знаком более низкую тактовую частоту, например, 3,3 ГГц, и продаются по более низкой цене. [2] [3]
Тактовая частота процессора обычно определяется частотой кварцевого генератора . Обычно кварцевый генератор генерирует фиксированную синусоидальную волну — сигнал опорной частоты. Электронная схема преобразует это в прямоугольный сигнал той же частоты для приложений цифровой электроники (или, при использовании умножителя ЦП , в некоторое фиксированное кратное опорной частоты кристалла). Сеть распределения тактовой частоты внутри ЦП передает этот тактовый сигнал всем частям, которые в нем нуждаются. Аналого -цифровой преобразователь имеет тактовый вывод, управляемый аналогичной системой и предназначенный для установки частоты дискретизации . В любом конкретном процессоре замена кристалла другим кристаллом, который колеблется на половине частоты (« понижение тактовой частоты »), как правило, приводит к тому, что процессор работает с половиной производительности и уменьшает количество выделяемого процессором тепла . И наоборот, некоторые люди пытаются повысить производительность процессора путем замены кристалла генератора на более высокочастотный кристалл (« разгон »). [4] Однако степень разгона ограничена временем, в течение которого процессор стабилизируется после каждого импульса, а также выделяемым дополнительным теплом.
После каждого тактового импульса сигнальным линиям внутри ЦП требуется время, чтобы прийти в новое состояние. То есть каждая сигнальная линия должна завершить переход от 0 к 1 или от 1 к 0. Если следующий тактовый импульс появится раньше этого, результаты будут неверными. В процессе перехода некоторая энергия тратится в виде тепла (в основном внутри управляющих транзисторов). При выполнении сложных инструкций, вызывающих множество переходов, чем выше тактовая частота, тем больше выделяется тепла. Транзисторы могут быть повреждены из-за чрезмерного нагрева.
Существует также нижний предел тактовой частоты, если только не используется полностью статическое ядро .
Первый полностью механический аналоговый компьютер Z1 работал с тактовой частотой 1 Гц (цикл в секунду), а первый электромеханический компьютер общего назначения Z3 работал с частотой около 5–10 Гц. Первый электронный компьютер общего назначения, ENIAC , использовал в своем циклическом блоке тактовую частоту 100 кГц. Поскольку каждая инструкция занимала 20 тактов, частота команд 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 (ок. 1981 г.) имел тактовую частоту 4,77 МГц (4 772 727 циклов в секунду). В 1992 году и Hewlett-Packard, и Digital Equipment Corporation (DEC) превысили частоту 100 МГц с помощью технологий RISC в PA-7100 и AXP 21064 DEC Alpha соответственно. В 1995 году процессор Intel P5 Pentium работал на частоте 100 МГц (100 миллионов циклов в секунду). 6 марта 2000 года AMD продемонстрировала преодоление рубежа в 1 ГГц, на несколько дней раньше, чем Intel начала поставки систем с частотой 1 ГГц. 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 серийных процессоров увеличивалась медленнее, при этом повышение производительности происходило за счет других конструктивных изменений.
Установленный в 2011 году мировой рекорд Гиннеса по наивысшей тактовой частоте процессора составляет 8,42938 ГГц с разогнанным чипом на базе AMD FX-8150 Bulldozer в криобане LHe / LN2 , 5 ГГц в эфире . [5] [6] Это превосходит рекорд разгона CPU-Z по самой высокой тактовой частоте процессора на уровне 8,79433 ГГц с чипом AMD FX-8350 Piledriver , залитым LN2 , достигнутый в ноябре 2012 года. [7] [8] Его также превосходит 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 процессор Intel Core i9-13900K был разогнан до 9,008 ГГц. [11]
Самая высокая базовая тактовая частота серийного процессора — i9-14900KS с тактовой частотой 6,2 ГГц, выпущенная в первом квартале 2024 года [12] .
Инженеры продолжают находить новые способы создания процессоров, которые стабилизируются немного быстрее или потребляют немного меньше энергии за переход, отодвигая эти ограничения и создавая новые процессоры, которые могут работать на немного более высоких тактовых частотах. Предельные пределы энергии на 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 находить новые способы проектирования процессоров, 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 процессоры. . Это достигается с помощью архитектурных методов, таких как конвейерная обработка инструкций и выполнение вне порядка , которые пытаются использовать параллелизм на уровне команд в коде.
Тактовая частота ЦП наиболее полезна для сравнения ЦП одного семейства. Тактовая частота — лишь один из нескольких факторов, которые могут влиять на производительность при сравнении процессоров разных семейств. Например, IBM PC с процессором Intel 80486 , работающим на частоте 50 МГц, будет примерно в два раза быстрее (только внутренне), чем компьютер с тем же процессором и памятью, работающим на частоте 25 МГц, тогда как для MIPS R4000, работающего на частоте 25 МГц, этого не произойдет. с одинаковой тактовой частотой эти два процессора имеют разные архитектуры и микроархитектуры. Кроме того, иногда предполагается измерение «совокупной тактовой частоты» путем умножения общего количества ядер на общую тактовую частоту (например, двухъядерный процессор с тактовой частотой 2,8 ГГц, работающий на совокупной частоте 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 тактовая частота обычно считается неточным показателем производительности при сравнении различных семейств процессоров. Программные тесты более полезны. Тактовая частота иногда может вводить в заблуждение, поскольку объем работы, которую разные процессоры могут выполнить за один цикл, различается. Например, суперскалярные процессоры могут выполнять более одной инструкции за такт (в среднем), однако они нередко выполняют «меньше» за такт. Кроме того, субскалярные процессоры или использование параллелизма также могут влиять на производительность компьютера независимо от тактовой частоты.
«Разгон» ранних процессоров был так же прост и столь же ограничен, как и замена дискретного тактового кристалла ... Появление регулируемых тактовых генераторов позволило осуществлять «разгон» без замены таких частей, как тактовый кристалл.