时钟频率
时钟频率(英语:clock rate,又译:时脉速度)是指同步电路中时钟的基础频率,[1]它以“每秒时钟周期”(clock cycles per second)来度量,量度单位采用SI单位赫兹(Hz)。在电脑领域当中,其一般指的是由处理器中的时钟发生器产生的脉冲信号的频率,该信号用于同步电脑中各部件的工作。时钟频率也被用来作为衡量处理器运行速度的一个指标。[2]在单个时钟周期内(现代电脑中央处理器内的这个时间一般都短于一纳秒)逻辑零状态与逻辑一状态来回切换。 由于发热和电气规格的限制,周期里逻辑零状态的持续时间通常要长于逻辑一状态。
第一代电脑当中的时钟频率通常以赫兹(Hz)或千赫兹(kHz)的级别来衡量;在20世纪70年代至80年代间面世的个人电脑(PC)当中,时钟频率可达到兆赫兹(MHz)级别;而在21世纪的现代CPU当中,时钟频率通常可达吉赫兹(GHz)的级别。在比较同一系列的处理器时,这是一个较为有用的指标。
时钟频率的限制条件
[编辑]产品分级(Binning)
[编辑]现代中央处理器(CPU)制造商常为能够在较高的时钟频率下运行的CPU设置更高的定价。就某个单一的CPU来说,时钟频率是在生产环节的最后通过实测测定的。通过了特定测试标准的CPU会被标上这个标准相应的时钟频率,如1.5GHz(十五亿赫)。晶片制造商会给出一个“最高时钟频率”的规范,并且通过在出售晶片之前对它们进行测试,以确保它们符合“最高时钟频率”的规范。测试将执行最复杂的指令,处理最复杂的数据模型确定使用的最长处理时间(测试在最合适的电压和稳定保证CPU在最低性能下运行),保证最高时钟频率时不会发生问题。而当一个CPU没有通过较高时钟频率的级别的测试,但通过了较低一级的测试时,它会被标上一个较低的时钟频率。例如某个CPU未通过1.5GHz时钟频率的测试,却通过了1.33GHz那一级的,它就会被标为1.33GHz,并且售价会低于时钟频率为1.5GHz的CPU。[3][4]
工程因素
[编辑]CPU的时钟频率通常是由晶体振荡器的频率决定的。通常来说晶体振荡器产生一个固定的正弦波,称为频率参考信号。然后,特定的电路将其转换为同频率(或是数倍于输入频率)的正弦波,用于驱动数字电路组件。
对某些特定的CPU来说,将时钟频率降低一半(降频),一般来说性能也将降低一半,同时此CPU产生的热量也将减少。
与此相对的,有些人试图提高CPU性能,为此他们尝试让CPU运行在一个较高的时钟频率上(超频)[5]。然而,超频的程度可能会很快受到下面条件的限制:
- 在一个时钟脉冲后,CPU的信号线需要时间在新状态下达到稳定。如果上一个脉冲的信号还没有处理完成,而下一个时钟脉冲来的太快(在所有信号线完成从0到1或者从1到0的转换前),就会产生错误的结果。
- 当信号线从1转换到0状态(也可以是0转换到1状态)时,将会浪费部分能量使之转换为热能(主要是内部驱动晶体管)。当CPU执行复杂指令,由此进行大量的1状态0状态之间的互相转换时,更高的时钟频率将更容易浪费掉能量产生更多的热量。如果产生的热量不能被散热系统及时带走,晶体管将可能因此过热损坏。
处理器同样存在时钟频率的下限,除非使用完全静态逻辑结构设计的处理器内核。
面对限制的努力
[编辑]工程师一直在寻找新的方法来设计CPU,使它们性能提高,耗能减少,减少限制条件的影响,使新的CPU能运行在更高的时钟频率上。最终限制条件可能由可逆计算解决。第一个完全可逆计算的CPU,Pendulum,在 1990 年代后期在麻省理工学院使用标准 CMOS 晶体管实现。[6][7][8][9]
同时人们也在寻找另一种新方法来设计CPU,使新CPU与老CPU运行在相同甚至更低的时钟频率,但是新CPU将拥有在每个时钟周期执行更多指令的能力(另见摩尔定律)。
比较
[编辑]时钟频率是比较在同一家族内的晶片性能的唯一方法。例如,一台PC机配备了50MHz的Intel 486 CPU的电脑,它的性能大约是拥有同样内存、显示装置和CPU但CPU运行在25MHz的另一台电脑的两倍,而如果是一台运行在相同时钟频率的MIPS R4000电脑就不能这样直接比较了,因为它们的处理器、功能和架构是不同的。此外,在比较电脑整体性能的时候还需要考虑很多因素,例如前端总线("front side bus",FSB),内存的时钟频率,CPU通用寄存器的数据宽度和机器的一级、二级缓存等。
时钟频率不应该被应用在不同电脑或者不同类处理器家族的比较中。而是应该以软件基准测试的结果作为比较的标准。仅仅考虑时钟频率会让人产生误解,因为不同的处理器在一个周期内能完成的工作是不一样的。例如,精简指令集(RISC)处理器的指令要比复杂指令集(CISC)的简单(但是时钟频率要高)、超标量处理器可以在一个周期内执行多条指令,但是它一个周期没有完成多条指令的情况也不少见。此外除去时钟频率,低标量和并行度都影响了电脑的性能。
历史
[编辑]首台商业PC,Altair 8800(由MITS制造)使用了一个时钟频率为2MHz(200万次/秒)的Intel 8080 CPU。第一台IBM PC的时钟频率是4.77MHz(4,772,727次/秒)。1995年,Intel's Pentium 晶片达到了100 MHz (1亿次/秒),到了2002年,最快的CPU:Intel Pentium 4 达到了3GHz(三十亿次/秒,相当于每个周期3.3*10-10秒)
在20世纪90年代初期,大多数电脑公司宣传他们的电脑性能主要提及CPU的时钟频率。这导致了各种各样的营销手段,比如说苹果电脑公司决定生产销售时钟频率110MHz的Power Macintosh 8100/110,因此苹果公司可以宣传这台机器是运行速度最快的--因为当时Intel最快的处理器运行在100MHz。但是这是毫无意义的,因为 PowerPC 和 Pentium 处理器的架构完全不同。
在2000年以后,Intel 的老对手,AMD公司使用型号取代频率来推广它的处理器,因为当时Intel的Pentium 4处理器虽然拥有较高频率、但性能却输给相同时脉的其他x86处理器。这个趋势试图降低“兆赫神话”的影响,因CPU的时脉并不能表现出CPU的全部性能。2004年, Intel 公司宣布它也将型号代替频率进行命名,可能是因为消费者将Pentium M移动处理器(它的频率大致相当于 Pentium 4的一半)与 Pentium 4 相混淆了。截至2007年,CPU性能的提高主要通过流水线,指令集和多核心技术的创新来实现,而不是时钟频率的提高(时钟频率的提高受到了CPU功耗下降的限制)。
世界纪录
[编辑]2022年12月23日,华硕超频团队使用Z790主板,将英特尔13代酷睿i9-13900K超频至9.008GHz,创下时钟频率世界记录,成为世界上首颗时钟频率在9GHz以上的CPU。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 本条目部分或全部内容出自以GFDL授权发布的《自由在线电脑词典》(FOLDOC)条目Clock。
- ^ Clock rate. Wikipedia. 2024-11-21 (英语).
- ^ [1] (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ [2] (页面存档备份,存于互联网档案馆) [3] (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ "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
- ^ Michael Frank. "RevComp - The Reversible and Quantum Computing Research Group" (页面存档备份,存于互联网档案馆).
- ^ Michael Swaine. "Backward to the Future" (页面存档备份,存于互联网档案馆). Dr. Dobb's Journal. 2004.
- ^ Michael P. Frank. "Reversible Computing: A Requirement for Extreme Supercomputing" (页面存档备份,存于互联网档案馆).
- ^ Matthew Arthur Morrison. "Theory, Synthesis, and Application of Adiabatic and Reversible Logic Circuits For Security Applications" (页面存档备份,存于互联网档案馆). 2014.
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